薄壁多孔艙體微變形與量化裝配技術(shù)研究

張 偉 張國軍 毛旦平

裝配·檢測

薄壁多孔艙體微變形與量化裝配技術(shù)研究

張 偉 張國軍 毛旦平

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

某型艙體由于結(jié)構(gòu)限制，尺寸狹小、壁厚較薄，同時(shí)艙體表面均布6路玻璃窗口，可裝配性較差，艙體的變形對艙體裝配及玻璃窗口的粘接強(qiáng)度影響很大。對此提出了專用的裝配裝置設(shè)計(jì)方案，采用有限元計(jì)算，確定了窄抱箍的裝置方案，并模擬了窄抱箍裝置螺釘力矩大小對艙體變形的影響。通過對裝配裝置及艙體表面的設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低裝置的抱緊力，以達(dá)到艙體微變形的要求。最后通過工藝試驗(yàn)得到了最優(yōu)的裝置緊固力矩，并驗(yàn)證了裝置對艙體窗口影響較小，使裝置的設(shè)計(jì)最終符合該艙的裝配要求。

薄壁；裝配；有限元；微變形

1 引言

某型艙體通過螺紋與前后艙體連接，其外形尺寸為：127mm×112mm，材料為鋁合金LY12CZ，如圖1所示。殼體表面開有12路窗口，其中6路大窗口尺寸為25mm×31mm，6路小窗口尺寸為25mm×19mm，如圖2所示；12路窗口表面敷有與殼體外徑一致的玻璃；殼體內(nèi)部為整體鏤空結(jié)構(gòu)，內(nèi)有加強(qiáng)筋和安裝座等，其最薄處在12路窗口開口處，厚度為2mm。

圖1 艙體三維模擬圖

圖2 艙體尺寸圖

2 裝配難點(diǎn)

由于敷設(shè)在該艙體表面12路窗口的玻璃為易損件，在裝配過程中嚴(yán)禁磕碰、擠壓及摩擦玻璃，防止玻璃碎裂、刮傷或刮花，影響玻璃的透光性能，因此在裝配時(shí)需要避開12路窗口。

從殼體的結(jié)構(gòu)圖可以看出艙體表面機(jī)構(gòu)較為緊湊，前端窗口距艙體前端面（非螺紋面）為5mm，后端窗口艙體后端面（非螺紋面）為19mm，外露的可供接觸的面積小造成設(shè)計(jì)專用裝置空間的余量也相應(yīng)減小。

由于艙體厚度較薄，在給艙體施加緊固力時(shí)容易使艙體發(fā)生變形，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，艙體對接完成后其變形量不大于0.4mm；同時(shí)，艙體的變形容易造成內(nèi)部的元器件（尤其窗口部位的玻璃）的碰撞與擠壓，對內(nèi)部元器件或表面安裝的玻璃造成影響，該光學(xué)玻璃允許承受的最大壓力84MPa（84N/mm2）；裝配過程需要控制艙體的形變，防止過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。

綜上，該艙體在裝配時(shí)既需要避開艙體上的12處玻璃窗口又需要控制裝配過程中艙體的變形，而留有的空間又相對狹小。如何確保該艙體可靠地通過螺紋與前后艙體對接是該艙體的難點(diǎn)。

3 對接裝置設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

考慮到該艙體的結(jié)構(gòu)限制，對接裝置擬采用上下抱箍的形式，設(shè)計(jì)了兩種方式的抱箍。兩種方式的設(shè)計(jì)思路一致，分別由抱箍、手柄、橡膠墊及M5的螺釘組成，區(qū)別是一種結(jié)構(gòu)采用比較寬的抱箍，抱箍中采用開槽的方式，讓開均布的窗口；另一種采用較窄的抱箍，抱箍抱在艙體后端的無窗口區(qū)域，并盡可能遠(yuǎn)離窗口。艙體裝配時(shí)將抱箍抱住艙體，通過對裝置上的螺釘定力，控制工裝對艙體施加的力，由此控制裝置對艙體的變形以及控制表面的摩擦力，工裝與艙體表面的接觸面粘貼的橡膠墊可以吸收并減小裝置對艙體表面變形的影響，其結(jié)構(gòu)方案圖如圖3所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)方案圖

3.2 裝置仿真分析

3.2.1 不同抱箍的仿真分析

為了檢驗(yàn)寬抱箍裝置及窄抱箍裝置的優(yōu)劣，利用仿真軟件在兩種裝置兩邊M5的螺釘上均施加2N?m與5N?m的力矩（根據(jù)不同材料螺釘選擇的預(yù)緊力矩值），通過仿真軟件計(jì)算的應(yīng)力-變形情況來檢查兩種抱箍形式對艙體的影響。

3.2.2 不同抱箍的仿真約束與加載

由于實(shí)物狀態(tài)艙體兩端面會(huì)安裝端蓋，對螺紋處的變形有一定支撐，因此施加約束時(shí)在端面施加、、三個(gè)方向的約束；同時(shí)，考慮到寬抱箍需讓開艙體上的窗口，寬抱箍施加6個(gè)面的力，單個(gè)面的尺寸約為27mm×40mm；而窄抱箍為2個(gè)連續(xù)的面，只在工裝螺釘安裝的部位為施加力，單個(gè)面的尺寸約為12mm×170mm。兩種狀態(tài)的約束與加載如圖4所示。

圖4 寬抱箍約束與加載狀態(tài)

3.2.3 寬抱箍裝置仿真

a．施加2N?m。在寬抱箍裝置兩端螺釘上施加2N?m的力矩，其最大變形在窗口中間，最大變形為0.016mm，最大應(yīng)力在窗口周圍的螺釘孔內(nèi)，最大應(yīng)力為50.49MPa，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 2N?m寬抱箍時(shí)艙體的變形-應(yīng)力情況圖

b．施加5N?m。寬抱箍裝置兩端螺釘上施加5N?m的力矩，其最大變形也在窗口中間，最大變形為0.040mm，最大應(yīng)力在窗口周圍的螺釘孔內(nèi)，最大應(yīng)力為126.15MPa，其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 5N?m寬抱箍時(shí)艙體的變形-應(yīng)力情況圖

3.2.4 窄抱箍裝置仿真

a．施加2N?m。在窄抱箍裝置兩端螺釘上施加2N?m的力矩，其最大變形在靠近窗口處，最大變形為0.008mm，最大應(yīng)力在窗口周圍的螺釘孔內(nèi)，最大應(yīng)力為27.39MPa，其仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 2N?m窄抱箍時(shí)艙體的變形-應(yīng)力情況圖

b．施加5N?m。寬抱箍裝置兩端螺釘上施加5N?m的力矩，其最大變形在靠近窗口處，最大變形為0.020mm，最大應(yīng)力在窗口周圍的螺釘孔內(nèi)，最大應(yīng)力為59.26MPa，其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 5N?m窄抱箍時(shí)艙體的變形-應(yīng)力情況圖

3.2.5 結(jié)果對比

從仿真實(shí)驗(yàn)得出，使用窄抱箍的方案在施加2N?m與5N?m的變形與應(yīng)力均小于寬抱箍的方案，其原因主要為寬抱箍施加的力在窗口中間位置，艙體較為薄弱，而窄抱箍內(nèi)部含加強(qiáng)塊且靠近根部艙體的強(qiáng)度相對較強(qiáng)。窄抱箍的方案對艙體變形的影響較小，因此選擇窄抱箍的方案。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在確定使用窄抱箍方案后，對實(shí)物裝置投產(chǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證窄抱箍方案的可行性。

3.3.1 不同力矩對空艙體螺紋的影響

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，利用空艙體實(shí)物驗(yàn)證裝置的螺釘在不同擰緊力矩下對艙體變形的影響。在裝置螺釘上施加力矩后通過卡尺測量兩端螺紋的變形情況，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 空艙體模擬件加載試驗(yàn)結(jié)果 mm

從表1可以看出，隨著施加在裝置螺釘上擰緊力矩的增加，艙體的變形也隨之加大，由于工裝施力靠近M122處螺紋，因此M122處的螺紋變形較M127要大；同時(shí)，空艙體兩端沒有增加擋板，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)艙體的變形比有限元分析的情況更惡劣。

3.3.2 不同力矩對模擬艙螺紋的影響

考慮到真實(shí)的艙體中裝有元器件，且艙體兩端有加強(qiáng)版支撐，艙體的強(qiáng)度及抗變形能力也會(huì)隨之增強(qiáng)。又對模擬艙進(jìn)行了力矩試驗(yàn)，通過同樣在裝置螺釘上施加力矩后利用卡尺測量兩端螺紋變形的情況，其得到的結(jié)果如表2所示。

表2 模擬艙加載試驗(yàn)結(jié)果 mm

從表2可以看出，由于模擬艙兩端的擋板及內(nèi)部的元器件對艙體起到了一定的支撐作用，艙體螺紋的變形要明顯小于空艙體，在施加4N?m以上力矩時(shí)艙體的變形較大，因此施加在裝置螺釘上的力矩在3N?m內(nèi)均較為安全。

3.3.3 裝置螺釘定力試驗(yàn)

由于裝置采用兩瓣組合的方式，若裝置螺釘上施加的力過小，容易使裝置在使用過程中產(chǎn)生滑動(dòng)，影響裝置的安全性。因此需要通過試驗(yàn)確定最佳的力矩值，即試驗(yàn)裝置螺釘在1～3N?m的定力范圍內(nèi)實(shí)際使用時(shí)會(huì)否產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，通過不同操作人員對裝置的試用試驗(yàn)，確定裝置螺釘施加2N?m及以上時(shí)，裝置在使用過程中就不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。因此，為減小裝置對艙體的影響同時(shí)保證裝置的使用安全性，取2N?m為該裝置螺釘固定的最佳力矩。

3.3.4 力矩對窗口的影響

為了驗(yàn)證裝置使用過程中對艙體的窗口會(huì)不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，裝置使用過程中進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變檢測。試驗(yàn)件采用空殼體模擬件，對兩個(gè)窗口的兩邊進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變采集，應(yīng)變片安裝位置見圖9、圖10。

圖9 應(yīng)變片安裝位置

圖10 應(yīng)變片安裝實(shí)圖

表3 施加2N·m時(shí)的最大應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)（花片）

首先測試裝置的螺釘施加2N?m的情況下艙體玻璃窗口安裝口的應(yīng)力-應(yīng)變情況，具體數(shù)據(jù)見表3。之后測試了裝配過程中裝置對艙體玻璃窗口安裝口影響的應(yīng)力-應(yīng)變情況，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 裝置使用過程中的最大應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)（花片）

由表3、表4可以看出兩種狀態(tài)對于空艙體的最大應(yīng)力在5.1MPa及5.29MPa，對艙體窗口安裝孔的影響均較小，可以得出裝置螺釘施加2N?m及工裝使用過程中能夠滿足該設(shè)計(jì)對艙段的變形要求并小于玻璃的強(qiáng)度要求，并能滿足對接安全性要求。

4 裝置的改進(jìn)

4.1 使用過程出現(xiàn)的問題

通過裝置螺釘?shù)亩?，較好地控制了艙體的變形，提高了該艙體裝配的可靠性。但在實(shí)際使用過程中也暴露了一些問題。

a. 由于采用了窄抱箍的方案，造成抱箍的把手直徑較小，操作人員在使用時(shí)不敢施加過大的力，擔(dān)心把手與抱箍螺紋連接處斷裂；

b. 抱箍內(nèi)部襯了1mm的橡膠墊以保護(hù)艙體表面及增加摩擦力，膠墊通過膠粘接至抱箍內(nèi)表面，裝置通過抱箍與艙體表面的摩擦力實(shí)現(xiàn)對艙體的轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際使用過程中在使用次數(shù)增多后，橡膠墊與抱箍會(huì)產(chǎn)生脫粘，造成裝置滑動(dòng)；

c. 該裝置在使用時(shí)，不同操作人員對該艙體的擰緊力度不一樣，同一個(gè)操作人員在不同操作時(shí)間的擰緊力度也不一樣，擰緊時(shí)主要依靠自己的經(jīng)驗(yàn)與手感，造成產(chǎn)品最終的擰緊狀態(tài)不一致。

4.2 裝置改進(jìn)

針對出現(xiàn)的問題，從裝置防滑、操作手感及操作人員一致性等方面改進(jìn)裝置。

a. 防滑改進(jìn)。在艙體加強(qiáng)筋上增加定位銷孔，并在裝置相應(yīng)位置增加定位銷，增加裝置安裝定位并確保裝置在施力過程中不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

b. 操作手感。在保證裝置與艙體接觸面不變的情況下，將裝置增寬，通過臺(tái)階讓開艙體上的窗口，如圖11所示；加寬的裝置可以安裝直徑較大的把手，將原來直徑18mm的扳手增加至直徑25mm，保證了操作人員的操作手感。

圖11 增寬抱箍

c. 操作一致性。實(shí)際使用過程中，由于不同的人員可以施加不同的力矩，造成產(chǎn)品的一致性較差，因此將裝置的把手改成圓柱形定力扳手的接口，與定力扳手對接后可實(shí)現(xiàn)艙體的定力安全，確保艙體裝配一致性。改進(jìn)后的裝置如圖12所示，進(jìn)一步增加了裝置的可操作性，實(shí)現(xiàn)了薄壁艙體的微變形及量化裝配。

圖12 改進(jìn)后的裝置示意圖

5 結(jié)束語

研究某艙體的結(jié)構(gòu)，采用有限元計(jì)算分析模擬不同設(shè)計(jì)方案及裝置擰緊力矩對艙體變形的影響，最終確定了窄抱箍的設(shè)計(jì)方案。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低抱箍的抱緊力，達(dá)到該艙體裝配時(shí)的微變形要求。并通過工藝試驗(yàn)得到了最佳的裝置擰緊力矩，將裝置對艙體的窗口的影降低到最小，實(shí)現(xiàn)了對此薄壁艙體的微變形及量化裝配控制。

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Research on Micro Deformation and Quantitative Assembly Technology of Thin-walled Porous Cabin

Zhang Wei Zhang Guojun Mao Danping

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

Due to the structural limitation, the size of a certain type of cabin is narrow and the wall thickness is relatively thin. At the same time, the surface of the cabin is covered with 6 glass windows, which has poor assembly ability. The deformation of the cabin will stick to the cabin assembly and glass windows. Aiming at this problem, the design scheme of special assembly device is put forward, the device scheme of narrow hoop is determined by finite element calculation, and the influence of screw torque size of narrow hoop device on cabin deformation is simulated. Through the design improvement of the assembly device and the cabin surface, the tightening force of the device is reduced to meet the requirement of cabin micro deformation. Finally, the optimal tightening torque of the device is obtained through process tests, and it is verified that the device has little influence on the cabin window, making the design of the device finally meet the assembly requirements of the cabin.

thin-wall；assembly；finite element simulation；micro-distortion

V465

A

張偉（1985），工程師，機(jī)械專業(yè)；研究方向：總裝裝配工藝。

2021-06-21