裝配型架剛度庫系統(tǒng)的開發(fā)

洪學(xué)玲，郭龍江，金曉波，陳浩

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

飛機(jī)裝配型架是航空產(chǎn)品生產(chǎn)過程中不可缺少的工藝裝備，裝配型架的質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，而剛度是衡量裝配型架質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。長期以來，裝配型架設(shè)計(jì)人員從事繁重的設(shè)計(jì)任務(wù)，多數(shù)設(shè)計(jì)人員僅憑經(jīng)驗(yàn)選擇骨架的型材尺寸和定位器的大小，由于缺少理論數(shù)據(jù)的支撐，可能會(huì)導(dǎo)致局部剛度不足或者過于笨重，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足型架設(shè)計(jì)水平提升的要求。剛度設(shè)計(jì)成為制約型架優(yōu)化改進(jìn)和技術(shù)提升的瓶頸，如何快速有效地進(jìn)行裝配型架剛度設(shè)計(jì)是亟待解決的問題。

本文針對目前型架剛度分析現(xiàn)狀，開發(fā)了一套裝配型架剛度庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成于CATIA設(shè)計(jì)平臺中，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中可進(jìn)入剛度庫系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，快速獲得所需剛度數(shù)據(jù)，從而大大提高了設(shè)計(jì)與分析效率，為裝配型架設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配型架剛度是保持裝配件空間位置準(zhǔn)確度及其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。其剛度主要是由骨架與定位器的剛度決定，骨架與定位器的剛度直接影響了定位精度[4]。本文根據(jù)型架的功能以及剛度需求進(jìn)行分類，并在用戶需求分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套裝配型架剛度庫系統(tǒng)。開發(fā)的庫系統(tǒng)主要分成兩大模塊：骨架模塊和定位器模塊。型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)是輸入一定的約束條件，快速得到變形數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)從功能、信息和數(shù)據(jù)3個(gè)方面滿足使用用戶的要求。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝配型架剛度庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 骨架模塊

裝配骨架的數(shù)量和種類很多，本文綜合型架在設(shè)計(jì)和制造中的分類模式，按功能對骨架進(jìn)行分類，基于有限元對功能模塊中的各種類型的骨架f(x)(x=1、2、3……n)建立有限元模型、施加載荷和邊界、劃分網(wǎng)格并求解，結(jié)果以數(shù)據(jù)和圖形的方式展現(xiàn)。將n種型架的模型和結(jié)果文件封裝在骨架庫中，各類庫文件中包含目前裝配中的所有工況。其中某類骨架庫文件如圖2所示。設(shè)計(jì)人員通過調(diào)用不同的功能模塊，根據(jù)工裝實(shí)際使用情況選擇工況，快捷選擇所需要的剛度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)建立75個(gè)骨架庫文件，庫中的模型和數(shù)據(jù)滿足目前90%的骨架類型，但對于特殊類型的型架骨架，該庫目前無法提供數(shù)據(jù)，需要設(shè)計(jì)人員單獨(dú)進(jìn)行骨架的建模。骨架庫具有更新功能，管理人員可以增加特殊類型骨架庫文件,不斷完善剛度庫系統(tǒng)。

圖2 某類骨架部分庫文件

1.2 定位器模塊

裝配型架定位器主要分成孔定位器和卡板定位器?？锥ㄎ黄髦饕怯芍尾考投ㄎ槐劢M成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示?？锥ㄎ黄鞯闹尾课粍傂詮?qiáng)，在分析的過程中視為剛性體。定位器主要受到產(chǎn)品的集中力作用。定位器的剛度主要是由定位臂決定。本文根據(jù)梁彎曲撓度方程解析法，推出計(jì)算公式，增加工程修正系數(shù)。并針對孔定位器的特點(diǎn)，系統(tǒng)中開發(fā)了孔定位器專用計(jì)算模塊，設(shè)計(jì)人員輸入相應(yīng)的約束條件，系統(tǒng)自動(dòng)算出變形結(jié)果?？ò宥ㄎ黄鳛樾图艿耐庑味ㄎ粖A緊件，卡板由卡板主體和卡板端頭組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。卡板一般都是在上、下端頭用銷軸連接在叉形結(jié)構(gòu)上，叉頭通過焊接或螺紋聯(lián)接固定在型架的骨架上。在進(jìn)行卡板的剛度分析時(shí)，卡板附件叉頭尺寸相對小，剛度大，建模時(shí)對型架的剛度的影響很小，一般不考慮?？ò褰Y(jié)構(gòu)相對規(guī)則，根據(jù)卡板的跨度、寬度，基于有限元軟件建立有限元模型，卡板用殼單元模擬，工況包含目前實(shí)際使用各種工況，結(jié)果以數(shù)據(jù)和變形圖的形式給出。本文建立了62個(gè)卡板庫文件，庫中的模型和數(shù)據(jù)滿足目前85%的卡板類型。但對于特殊類型的卡板，該庫無法提供數(shù)據(jù)，需要設(shè)計(jì)人員基于有限元軟件建模。卡板庫具有更新功能，管理人員可以增加特殊類型卡板庫文件不斷完善剛度庫系統(tǒng)。

圖3 孔定位器

圖4 卡板定位器

2 建模技術(shù)

2.1 有限元技術(shù)[2，5]

本文基于有限元技術(shù)，對骨架和卡板建立了有限元模結(jié)構(gòu)模型。有限元模型是結(jié)構(gòu)的離散模型，模型中包含了結(jié)構(gòu)的物理特性以及力和位移的邊界條件，是偏微分方程的近似解。在有限元技術(shù)中，單元是由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，節(jié)點(diǎn)具有幾何屬性和物理屬性。單元的形狀、單元的形函數(shù)、材料特性、邊界條件的確定、求解方法等都和解的精度有關(guān)。因此，模型中合理的網(wǎng)格分布、材料特性、節(jié)點(diǎn)或者幾何體上載荷和約束的準(zhǔn)確性等都直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。建立有限元模型，不需要幾何上的極度逼近，而是性能上的真實(shí)性以及對物理模型的深入了解。單元位移和單元力之間的關(guān)系為

式中：ue為離散節(jié)點(diǎn)的位移矢量；Pe為作用于單元上的外力矢量；kee為單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

2.2 定位器模型建立

孔定位器的數(shù)學(xué)模型可以簡化為懸臂梁，根據(jù)梁彎曲繞度方程解析法可得到定位器最大的垂直位移：

式中：P為載荷；E為彈性模量；I為定位臂型心矩；l為定位臂的長度。

考慮到剪切項(xiàng)的影響，可以修正為

式中：K為5/6；A為定位臂截面積；G為剪切模量。

3 系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

3.1 開發(fā)環(huán)境

裝配型架剛度庫系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行的環(huán)境：開發(fā)環(huán)境為操作系統(tǒng)Window 7；開發(fā)語言為VISUAL Basic 6.0。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，應(yīng)用程序?yàn)橛脩籼峁┝擞脩舻卿?、?shù)據(jù)維護(hù)、骨架剛度查詢、卡板查詢、孔定位器剛度計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)件查詢等功能。本文基于VB語言開發(fā)人機(jī)交互界面，將應(yīng)用程序封裝在界面中，大量的運(yùn)算過程均在后臺運(yùn)行，操作界面簡單且符合職業(yè)習(xí)慣，便于設(shè)計(jì)人員操作和管理。裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是在一定的輸入條件下一種數(shù)據(jù)的智能化計(jì)算與檢索。

1）登錄。進(jìn)入系統(tǒng)的主窗體運(yùn)行界面，點(diǎn)擊登錄進(jìn)入身份驗(yàn)證模塊，身份分為設(shè)計(jì)人員與管理人員。設(shè)計(jì)人員僅能進(jìn)行查詢計(jì)算，管理人員可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行添加和刪除管理等操作。

2）骨架剛度查詢模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)骨架的剛度查詢功能。將骨架分為n個(gè)類別，每一功能類別的骨架中進(jìn)一步分類，該模塊實(shí)現(xiàn)對每一種功能骨架的剛度查詢，點(diǎn)擊不同的功能分類以及類型分類，可查詢具體的剛度數(shù)據(jù)以及變形云圖，結(jié)果文件直觀。其中某類翼面類骨架的查詢界面如圖5所示。

圖5 翼面類骨架的查詢界面

3）卡板剛度查詢模塊?？ò宀樵兡K的功能只需要輸入卡板的材料、跨度、寬度，便可以在卡板庫中自動(dòng)匹配卡板類型，輸出結(jié)果文件。

4）孔定位器剛度計(jì)算模塊?？锥ㄎ黄鲃偠扔?jì)算模塊主要實(shí)現(xiàn)孔定位器剛度的自動(dòng)計(jì)算，設(shè)計(jì)人員只需要輸入定位器的材料、受力大小、定位器懸臂的長度，以及型材規(guī)格尺寸，通過計(jì)算程序，自動(dòng)獲取定位器的變形數(shù)據(jù)。其中某類孔定位器計(jì)算界面如圖6所示。

圖6 孔定位器計(jì)算界面

5）標(biāo)準(zhǔn)件查詢模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)功能為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)的保存和管理，標(biāo)準(zhǔn)件包含了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，該模塊相應(yīng)增加了標(biāo)準(zhǔn)件庫的管理與更新功能。

6）系統(tǒng)的維護(hù)和管理。對系統(tǒng)中存儲的信息進(jìn)行更新，維護(hù)系統(tǒng)的完整性，并能對系統(tǒng)進(jìn)行還原，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性。

3.3 接口程序

為了滿足裝配型架剛度庫系統(tǒng)在型架設(shè)計(jì)人員中的廣泛應(yīng)用，需要將開發(fā)的系統(tǒng)與CATIA集成，用戶通過應(yīng)用界面實(shí)現(xiàn)CATIA環(huán)境下與剛度庫系統(tǒng)的交互。在CATIA中建立裝配型架剛度庫系統(tǒng)的啟動(dòng)工具條，具體的內(nèi)容如下：

當(dāng)CATIA打開后，可通過設(shè)計(jì)界面中的工具條，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中直接調(diào)用裝配型架剛度庫系統(tǒng)，快速進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)，獲得設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)。

3.4 應(yīng)用

本文以多套不同功能的裝配型架為例，對開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。在初步方案設(shè)計(jì)階段以及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，型架設(shè)計(jì)人員基于CATIA平臺，點(diǎn)擊工具條進(jìn)入裝配型架剛度庫系統(tǒng)，針對有剛度要求的骨架或者精度要求高的定位器，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行剛度分析。通過人機(jī)交互界面進(jìn)入不同模塊進(jìn)行查詢或者計(jì)算，得到相應(yīng)設(shè)計(jì)的剛度數(shù)據(jù)。剛度數(shù)據(jù)使得設(shè)計(jì)人員獲得對型架總體變形直觀理性的認(rèn)識。對出現(xiàn)的局部剛度不足或者過于笨重、不合理的尺寸重新輸入設(shè)計(jì)值，最終選擇最合理的設(shè)計(jì)尺寸。其應(yīng)用流程如圖7所示。

圖7 裝配型架剛度庫系統(tǒng)應(yīng)用流程

通過對開發(fā)的型架剛度庫系統(tǒng)的應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠滿足剛度分析的要求，取得了顯著效果，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中完成了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，大大降低了成本，提高了效率，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文針對目前裝配型架剛度分析技術(shù)以及設(shè)計(jì)優(yōu)化的需要，根據(jù)型架在設(shè)計(jì)和制造中的分類模式，并結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀以及生產(chǎn)實(shí)際，基于VB開發(fā)了一套裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成于設(shè)計(jì)平臺CATIA中，實(shí)現(xiàn)了與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的無縫連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，具有時(shí)效性、可靠性與實(shí)用性。裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)解決了設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)選擇型材而導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理和設(shè)計(jì)質(zhì)量低的問題，規(guī)范了設(shè)計(jì)手段，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論的支撐，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和企業(yè)的競爭力，具有重要的實(shí)際意義。