基于VSA的方向舵壁板與垂尾整流罩間隙容差分析

趙秋華，鄭 丞，沈亞軍

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

引言

目前大多數(shù)裝配工作依賴于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，但一些新的制造模式和裝配理念，如虛擬制造、并行工程等先進(jìn)的飛機(jī)制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]；其中通過(guò)CAD系統(tǒng)以及二次開發(fā)的裝配分析及仿真系統(tǒng)進(jìn)行裝配誤差累積分析與容差優(yōu)化來(lái)優(yōu)化協(xié)調(diào)飛機(jī)裝配工作是保證裝配成功率、減少產(chǎn)品成本和縮短產(chǎn)品周期的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

數(shù)字化偏差分析于20世紀(jì)90年代初開始應(yīng)用于美國(guó)汽車制造業(yè)的“2 mm工程”[3]，它幫助美國(guó)汽車工業(yè)在很短時(shí)間達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，尺寸控制的理念與方法快速影響到了其他國(guó)家及制造行業(yè)。在航空領(lǐng)域，1992年波音公司在B737機(jī)身裝配中第一次使用數(shù)字化尺寸控制的手段，采用零件自定位裝配技術(shù)來(lái)減少定位工裝。美國(guó)密歇根大學(xué)與波音、空客、通用等知名制造企業(yè)開展合作，在裝配偏差分析、柔性變形控制等領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)的理論與應(yīng)用基礎(chǔ)[4]。VSA是Siemens PLM軟件Team center Visualization下的一個(gè)容差分析模塊，基于蒙特卡洛法用于對(duì)零部件容差和裝配進(jìn)行仿真，分析偏差量以及造成誤差的原因，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率具有重要的意義。

1 蒙特卡洛模擬

蒙特卡洛模擬也被稱作隨機(jī)模擬法，是一種以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)隨機(jī)變量的隨機(jī)模擬來(lái)獲取問(wèn)題近似解的方法。蒙特卡洛模擬的步驟如下：首先，建立簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的概率分布模型，將分布模型的某些特征作為所求問(wèn)題的解；其次，根據(jù)概率分布模型特點(diǎn)與計(jì)算需要優(yōu)化模型，達(dá)到減少方差，提高效率的作用；然后再對(duì)分布模型進(jìn)行隨機(jī)模擬，包括隨機(jī)抽樣方法；最后，通過(guò)對(duì)各種統(tǒng)計(jì)量的估計(jì)，得到所求解的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值以及方差。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)亦或是加工階段，零組件的尺寸容差分配是至關(guān)重要的。受各種因素的影響，零組件實(shí)際尺寸誤差具備隨機(jī)性。在裝配環(huán)節(jié)中，誤差會(huì)依據(jù)尺寸鏈方向傳遞，最終封閉環(huán)尺寸上會(huì)累積全部誤差，容差分析對(duì)象就是制造或裝配過(guò)程中累積誤差。蒙特卡洛法在容差分析中的使用如下：首先，模擬已建立標(biāo)準(zhǔn)的裝配，獲取組成環(huán)的容差與分布；其次，使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器模擬組成環(huán)的誤差變化影響[5]，依據(jù)每個(gè)尺寸的實(shí)際分布采用特定的算法抽樣，生成相應(yīng)隨機(jī)數(shù)，繼而依據(jù)設(shè)計(jì)函數(shù)得出封閉環(huán)y值，通過(guò)足量的y值求出y的各階中心矩；最后，依據(jù)封閉環(huán)尺寸分布即可得出相應(yīng)容差?；诿商乜迥M的容差分析流程如圖1所示。

2 問(wèn)題描述及分析

某客機(jī)方向舵壁板與垂尾整流罩的間隙要求為S±2 mm，用于安裝密封件，但實(shí)際間隙偏小，最終采取了打磨的工藝補(bǔ)償方式解決。

通過(guò)查看數(shù)模圖紙發(fā)現(xiàn)，一方面，機(jī)身蒙皮、方向舵復(fù)材壁板、垂尾整流罩制造誤差偏大；另一方面，間隙的產(chǎn)生涉及垂尾與后機(jī)身前段、后機(jī)身前段與后段的大部段對(duì)接。因此，在采用VSA分析時(shí)，將上述可能因素統(tǒng)籌考慮并在此基礎(chǔ)上建模仿真。

3 模型建立

利用專業(yè)偏差建模工具VSA進(jìn)行計(jì)算與分析，需要在仿真平臺(tái)中輸入三部分信息，包括：設(shè)計(jì)/測(cè)量基準(zhǔn)與容差，裝配定位基準(zhǔn)與容差，以及測(cè)量特征與容差。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配操作、運(yùn)行仿真及報(bào)告分析，分析流程如圖2所示。

3.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)及容差

針對(duì)后機(jī)身前、后段及垂尾部件，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)如表1、表2所示。

表1 后機(jī)身前段設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

表2 垂尾設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

3.2 裝配基準(zhǔn)及容差

裝配基準(zhǔn)是用以確定結(jié)構(gòu)件之間的相對(duì)位置，后機(jī)身后段裝配基準(zhǔn)是后段框?qū)用嬉约?個(gè)對(duì)接孔，前后段裝配組合、特征及制造輸入如表3所示。

表3 前后段裝配組合、制造輸入

垂尾的裝配基準(zhǔn)是垂尾對(duì)接面以及N個(gè)對(duì)接孔，前段與垂尾裝配組合、特征及制造輸入如表4所示。

表4 前段與垂尾裝配組合、制造輸入

垂尾整流罩的裝配基準(zhǔn)是垂尾整流罩對(duì)接面，整流罩與后段裝配組合、特征及制造輸入如表5所示。

表5 整流罩與后段裝配組合、制造輸入

3.3 測(cè)量特征及容差

由于垂尾壁板下邊緣與垂尾整流罩間隙超差，故在垂尾壁板下邊緣與垂尾整流罩上表面添加測(cè)量點(diǎn)，詳細(xì)如表6所示。

表6 測(cè)量特征及制造輸入

4 分析與結(jié)論

本次仿真取用5 000個(gè)蒙特卡洛分析樣本，容差驗(yàn)證范圍為6 sigma，即占所有樣本的99.73%。將上述的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)、測(cè)量特征等一系列信息輸入VSA軟件，如圖3所示。

測(cè)量點(diǎn)Z向容差要求2 mm，運(yùn)行VSA軟件，仿真結(jié)果如圖4所示。

前梁測(cè)量點(diǎn)的工序能力指數(shù)Cp是0.70，工序能力均無(wú)法滿足一般要求（1

從VSA軟件的結(jié)果報(bào)告中可知產(chǎn)生測(cè)量點(diǎn)偏差的主要因素及占比如下頁(yè)表7所示（小占比因素忽略）。

表7 測(cè)量點(diǎn)偏差的主要影響因素及占比

從表7可知，導(dǎo)致間隙偏差的主要因素是后機(jī)身蒙皮輪廓度和垂尾壁板下邊緣輪廓度，設(shè)計(jì)可以將這兩處容差進(jìn)行著重優(yōu)化。