CN108928502B - 装配复合材料翼盒的工装及使用该工装装配翼盒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种装配复合材料翼盒的工装及使用该工装装配翼盒的方法，该工装包括固定定位及夹紧机构的型架框架、用于定位前后梁的梁定位器、用于定位三条翼肋的肋定位器、用于上下壁板夹紧操作及压紧力测量的测力压紧器、用于壁板底端定位的辅助支撑等。此外，本发明还提供了利用上述型架进行复合材料翼盒装配的工艺方案。本发明提供了数量与位置可调的测力压紧器，可以根据工艺优化的结果，对压紧器的数量，分布位置及夹紧力大小进行调整，从而在保证装配间隙最小化的同时不损伤复合材料壁板结构。此外，本发明涉及的工装为可重构工装，避免了焊接工装存在的残余应力，便于拆装及再利用，可以节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种装配复合材料翼盒的工装及使用该工装装配翼盒的方法，属于飞机装配技术领域。
背景技术
复合材料凭借其优异的力学性能，在飞机制造中得到了越来越广泛的应用。复合材料构件大多使用半模成型，一面与成型模具接触，称为贴膜面，另一面与真空袋接触，称为非贴膜面。其中，贴膜面成型精度较高，而非贴膜面由于树脂的流动和纤维树脂热膨胀系数的差异，成型精度较低，尺寸和形位偏差较大，因此，复合材料结构在装配时，配合面处会产生装配间隙，这会给装配结构带来不利影响。
复合材料翼盒通常由前梁、后梁、三条翼肋和上、下壁板构成。在装配时，首先要将前后梁及三条翼肋在型架上进行定位、夹紧、制孔和连接，形成翼盒骨架结构，然后再将上下壁板上架进行定位、夹紧、制孔和连接。其中，壁板的安装以骨架为基准，通过三个销孔和底边支撑完成定位，即使用销钉与前梁上的两个销孔、后梁上的一个销孔实现主定位，使用底边支撑实现辅助定位。在装配时，为了保证壁板的正确位置，并消除部分装配间隙，需要在壁板上施加一定的夹紧力。
但复合材料翼盒由复合材料层压板使用单向带逐层铺叠而成，层间强度较弱，因此申请人经过反复研究发现：如在壁板上施加较小的压紧力，则不能完全消除装配间隙。而如在壁板上施加较大的压紧力可能造成层间应力过大，甚至在局部产生层间损伤；另外，过大的装配应力除了可能使装配结构下架后产生较大的变形，还会在构件服役受力时带来不利影响，导致连接部位拉伸刚度和峰值载荷的降低。因此，如何选择施加在壁板上的压紧力大小成为亟待解决的问题。
另外，在目前的装配工装设计中，工装框架大多采用焊接的方式进行连接，定位件和夹紧件等结构通过快干水泥或机械连接等方式固定在框架上。这种设计存在较多的缺陷，首先焊接过程容易产生较大的残余应力，容易引起框架的变形，此外，定位件和夹紧件均固定在型架上无法调整或移动，工装不具备可重构性。此时，工装只能适用于单一的装配结构，当装配体结构产生一定改动时，工装便不再适用，需要重新设计制造。这会导致生产周期的延长，生产成本的增加及资源的浪费。因此，需要一种具备一定可重构性的工装，可以在一定范围内适应装配体结构的变化，并方便地进行拆装。
发明内容
本发明要解决技术问题是：提供一种可避免下架后产生结构变形、避免在翼盒装配时在壁板上产生层间损伤并能够适应复合材料翼盒结构的变化的可重构工装以及应用该工装装配复合材料翼盒的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种装配复合材料翼盒的工装，包括机架、梁定位器和肋定位器；所述机架上设有左、右支撑柱，所述机架的底部设有前下滑轨和后下滑轨，所述机架的顶部设有与前、后下滑轨分别相匹配的前、后上滑轨；所述前、后下滑轨上均设有多个下滑块，所述下滑块上固接有下卡板支座；所述前、后上滑轨上均设有多个与下滑块一一对应的上滑块，所述上滑块上固接有与下卡板支座一一对应的上卡板支座；所述下卡板支座与对应的上卡板支座之间可拆式安装有卡板，所述肋定位器可拆式安装在卡板上；所述梁定位器包括可拆式固定在左、右支撑柱上的连接件以及水平设置在连接件上的梁定位板，所述左、右支撑柱上设有多个梁定位器的安装位置；所述机架上还设有用于在装配翼盒时对翼盒进行限位的辅助定位器；所述卡板上设有若干测力压紧器，所述测力压紧器包括与卡板固接的底座以及贯穿底座并与底座螺纹连接的螺旋杆，所述螺旋杆的一端设有手柄，另一端安装有测力传感器，测力传感器可以实时测量并显示施加在翼盒上的压紧力。
为了保护上、下壁板，所述测力传感器的头部设有橡胶压头。测力传感器可通过连接环安装螺旋杆头部上，即连接环一端安装在压紧器螺旋杆头部，连接环另一端与传感器相连接。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种使用权利要求1所述的工装装配翼盒的方法，所述翼盒由前梁、后梁、右肋、中间肋、左肋和上、下壁板构成；所述方法包括以下步骤：
步骤一、在所述左、右支撑柱上安装梁定位器，利用辅助定位器将后梁、前梁均通过夹紧钳固定在梁定位器上；
步骤二、所述肋定位器由右肋定位器、中间肋定位器与左肋定位器构成，将右肋放在后梁、前梁之间的预定装配位置，移动上、下滑块块带动卡板移动到相应位置，再在卡板安装右肋定位器对右肋进行定位；然后使用同样的方法安装中间肋定位器与左肋定位器来定位中间肋与左肋；在后梁、前梁以及右肋、中间肋、左肋组成的骨架上划线并制孔，利用穿心夹进行临时连接，然后拆除肋定位器；
步骤三、在前梁、后梁上开设定位销孔，所述上壁板上开设与定位销孔相匹配的销孔，然后通过定位销将上壁板安装到骨架上，在辅助定位器的配合下，对上壁板进行预定位；
在卡板上安装测力压紧器，对上壁板和骨架之间的间隙进行测量，使用遗传算法确定测力压紧器的数目、位置及压紧力的大小；具体方法如下：
1）基于内聚力模型建立上壁板的三维有限元模型，采用三维实体单元，每层厚度方向用一个单元模拟；在壁板表面建立N个压紧力参考点，在每个参考点上施加一个压紧力；
2)随机生成一个种群，该种群包括若干个个体，每个个体为压紧力参考点的位置和压紧力的大小的布局方案；并对每个个体中的压紧力参考点的X坐标值进行约束，使压紧力参考点的X坐标值的数量不超过卡板的数量，其中X轴的方向为沿下滑轨的方向；
3)将个体逐一赋予有限元模型进行计算，获得相应的上壁板与骨架之间的间隙消除率以及上壁板的分层损伤情况作为个体适应度值；所述间隙消除率是对预设监测点处的间隙消除比率，所述上壁板的分层损伤情况是用于表征上壁板分层单元产生损伤的情况；
4)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体，同样对每个个体中的压紧力参考点的X坐标值进行约束，使压紧力参考点的X坐标值的数量不超过卡板的数量；然后重复执行步骤3），直到个体适应度值达到收敛，即所述间隙消除率低于预设阈值，且上壁板分层单元全部没有产生损伤，停止计算；
移动上、下滑块带动卡板，根据遗传算法得到的最优个体调整测力压紧器的数目、位置及压紧力的大小；
用同样的方法对下壁板进行预定位；
步骤四、卸下骨架临时连接所用的穿心夹，先通过螺栓将前梁、后梁、右肋、中间肋和左肋连接在一起形成骨架，再通过螺栓将骨架与上、下壁板连接在一起，即完成了翼盒的装配。
本发明带来的有益效果是：
1）本发明针对飞机复合材料翼盒的装配结构，利用工装上的梁定位器、肋定位器和相应的夹持装置，可以实现翼盒前、后梁和三条翼肋的定位和夹紧；利用翼盒前后梁上的定位孔，辅助定位器及测力压紧器，可以实现复合材料上、下壁板的定位及夹紧力的实时调节和测量，并且可以根据工艺优化的结果，对测力压紧器的数量，分布位置及夹紧力大小进行调整，从而在保证装配间隙最小化的同时不损伤复合材料壁板结构。
2）本发明通过在装配过程中合理调整测力压紧器的夹紧力大小及其作用位置，可以最大限度减小装配间隙的同时，保证复合材料壁板不产生层间损伤，且整体的装配应力保持在较低水平，避免了下架后产生较大的变形。
3）本发明通过调整梁定位器、肋定位器以及卡板的位置可以适应不同的翼盒结构，即在装配体结构产生一定改动的情况下仍然能够完成翼盒的装配工作。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是装配后梁、前梁后的示意图。
图3是图2中的A部放大图。
图4图2中的B部放大图。
图5是测力压紧器的结构示意图。
图6是装配上、下壁板后的示意图。
附图标记：机架1，左支撑柱2，右支撑柱3，前下梁4，后下梁5，肋定位器6，卡板7，测力压紧器8，后下滑轨9，脚支座10，梁定位器11，后上滑轨12，上滑块13，挡板14，下卡板支座15，前下滑轨16，前梁17，下滑块18，上壁板19，底座20，螺旋杆21，手柄22，测力传感器23，橡胶头24，连接件25，梁定位板26，辅助定位器27。
具体实施方式
实施例一
本实施例的装配复合材料翼盒的工装，如图1-6所示，包括机架1、梁定位器11和肋定位器6；所述机架1上设有左、右支撑柱2、3，所述机架1的底部设有前下滑轨16和后下滑轨，所述机架1的顶部设有与前、后下滑轨分别相匹配的前上滑轨、后上滑轨12。
如图1、图2和图6所示，所述机架1的底部设有中下梁、前下梁4和后下梁5，所述机架1的顶部设有上梁，所述左、右支撑柱安装在中下梁上，所述前、后下滑轨分别安装在前下梁和后下梁上；所述前、后上滑轨分别设置在上梁的两侧。
所述前、后下滑轨上均设有多个下滑块18，所述下滑块18上固接有下卡板支座15；所述前、后上滑轨上均设有多个与下滑块18一一对应的上滑块13，所述上滑块13上固接有与下卡板支座15一一对应的上卡板支座；所述下卡板支座15与对应的上卡板支座之间可拆式安装有卡板7，所述肋定位器6可拆式安装在卡板7上，实施时，卡板7上设有若干安装孔位，肋定位器6通过螺栓固定在卡板7上，肋定位器6为现有技术，不再赘述。
如图4所示，所述梁定位器6包括可拆式固定在左、右支撑柱2、3上的连接件25以及水平设置在连接件25上的梁定位板26，所述左、右支撑柱2、3上设有多个梁定位器6的安装位置；所述前、后下滑轨分居梁定位板26的两侧。所述机架1为方管制成的框架结构，所述方管的表面上制有若干排通孔；所述梁定位器6的连接件25上设有与左、右支撑柱2、3的通孔相匹配的安装孔，所述连接件25与左、右支撑柱2、3之间通过插入安装孔、通孔的螺栓固定在一起；所述前、后下梁上均设有用于对下滑块18进行限位的挡板14，所述挡板14通过插入前下梁或后下梁通孔的螺栓分别与前下梁或后下梁连接。
如图3所示，所述机架1上还设有用于在装配翼盒时对翼盒进行限位的辅助定位器27。辅助定位器27为现有技术，不再赘述。
所述卡板7上设有若干测力压紧器8，所述测力压紧器8如图5所示，包括与卡板7固接的底座20以及贯穿底座20并与底座20螺纹连接的螺旋杆21，所述螺旋杆21的一端设有手柄22，另一端安装有测力传感器23。所述测力传感器23的头部设有橡胶压头24。测力传感器可以实时测量并显示施加在翼盒上的压紧力。所述卡板7上设有若干用于安装测力传感器的工位，用于调整测力传感器的位置。
本实施例中每个工装上设有6个卡板7，即在翼盒的每一侧有3个卡板；每个卡板7上安装3个测力压紧器8，每个测力压紧器8的压紧力限值为219N，实践证明，6个卡板7和18个测力压紧器8的配置可以适应大多数情况下的翼盒装配工作，可以很方便地调整卡板7的位置适应不同的翼盒结构，而且通过调整测力压紧器8的位置和大小就可以满足。
实施例二
本实施例涉及一种使用实施例一中的工装装配翼盒的方法，所述翼盒由前梁、后梁、右肋、中间肋、左肋和上、下壁板构成。
所述方法包括以下步骤：
步骤一、在所述左、右支撑柱上安装梁定位器，利用辅助定位器将后梁、前梁均通过夹紧钳固定在梁定位器上；
步骤二、所述肋定位器由右肋定位器、中间肋定位器与左肋定位器构成，将右肋放在后梁、前梁之间的预定装配位置，移动上、下滑块块带动卡板移动到相应位置，再在卡板安装右肋定位器对右肋进行定位；然后使用同样的方法安装中间肋定位器与左肋定位器来定位中间肋与左肋；在后梁、前梁以及右肋、中间肋、左肋组成的骨架上划线并制孔，利用12个穿心夹穿过六个结合面的首末两孔进行临时连接，然后拆除肋定位器；
步骤三、在前梁、后梁上开设定位销孔，所述上壁板上开设与定位销孔相匹配的销孔，然后通过定位销将上壁板安装到骨架上，在辅助定位器的配合下，对上壁板进行预定位；
在卡板上安装测力压紧器，通过塞尺对上壁板和骨架之间的间隙进行测量，使用遗传算法确定测力压紧器的数目、位置及压紧力的大小；具体方法如下：
1）在有限元软件ABAQUS中基于内聚力模型建立上壁板的三维有限元模型，采用三维实体单元，每层厚度方向用一个单元模拟；在壁板表面建立N个压紧力参考点，在每个参考点上施加一个压紧力；内聚力模型(Cohesive Zone Model , CZM )可以通过Cohesive单元刚度的连续衰减，模拟在没有初始缺陷的情况下，层间裂纹的萌生和扩展，以此来判断复合材料分层情况。
2)随机生成一个种群，该种群包括若干个个体，每个个体为压紧力参考点的位置和压紧力的大小的布局方案，并对每个个体中的压紧力参考点的X坐标值进行约束，使压紧力参考点的X坐标值的数量不超过卡板的数量，其中X轴的方向为沿下滑轨的方向，这是因为卡板的数量有限，比如本实施例中最多为6，这限制了测力压紧器在X轴上的分布，即只能分布为6列。
3)将个体逐一赋予有限元模型进行计算，获得相应的上壁板与骨架之间的间隙消除率以及上壁板的分层损伤情况作为个体适应度值；所述间隙消除率是对预设监测点处的间隙消除比率，所述上壁板的分层损伤情况是用于表征上壁板分层单元产生损伤的情况，分层损伤情况可在后处理时查询QUADSCRT值和SDEG值得到。QUADSCRT和SDEG分别表示单元的受力和损伤状态：当内聚力单元的应力由0逐渐增加到最大值时，QUADSCRT从0增加到1，当QUADSCRT等于1时，表明应力达到最大值；当载荷继续增大，应力将从最大值逐渐降为0，SDEG值将从0逐渐增长为1，当SDEG值等于1时，表明应力减小为0，内聚力单元完全破坏，失去承载能力，即产生分层损伤。
4)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体，同样对每个个体中的压紧力参考点的X坐标值进行约束，使压紧力参考点的X坐标值的数量不超过卡板的数量；然后重复执行步骤3），直到个体适应度值达到收敛，即所述间隙消除率低于预设阈值，且上壁板分层单元全部没有产生损伤，停止计算。
移动上、下滑块带动卡板，根据遗传算法得到的最优个体调整测力压紧器的数目、位置及压紧力的大小；
用同样的方法对下壁板进行预定位；
步骤四、卸下骨架临时连接所用的穿心夹，先通过螺栓将前梁、后梁、右肋、中间肋和左肋连接在一起形成骨架，再通过螺栓将骨架与上、下壁板连接在一起，即完成了翼盒的装配。
优选的，步骤三中，对种群中的每个个体进行干涉检查，剔除压紧器存在干涉情况的个体。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种装配复合材料翼盒的工装，包括机架、梁定位器和肋定位器；其特征在于：所述机架上设有左、右支撑柱，所述机架的底部设有前下滑轨和后下滑轨，所述机架的顶部设有与前、后下滑轨分别相匹配的前、后上滑轨；
所述前、后下滑轨上均设有多个下滑块，所述下滑块上固接有下卡板支座；所述前、后上滑轨上均设有多个与下滑块一一对应的上滑块，所述上滑块上固接有与下卡板支座一一对应的上卡板支座；所述下卡板支座与对应的上卡板支座之间可拆式安装有卡板，所述肋定位器可拆式安装在卡板上；
所述梁定位器包括可拆式固定在左、右支撑柱上的连接件以及水平设置在连接件上的梁定位板，所述左、右支撑柱上设有多个梁定位器的安装位置；
所述机架上还设有用于在装配翼盒时对翼盒进行限位的辅助定位器；
所述卡板上设有若干测力压紧器，所述测力压紧器包括与卡板固接的底座以及贯穿底座并与底座螺纹连接的螺旋杆，所述螺旋杆的一端设有手柄，另一端安装有测力传感器。
2.根据权利要求1所述的装配复合材料翼盒的工装，其特征在于：所述测力传感器的头部设有橡胶压头。
3.根据权利要求1所述的装配复合材料翼盒的工装，其特征在于：所述机架的底部设有中下梁、前下梁和后下梁，所述机架的顶部设有上梁，所述左、右支撑柱安装在中下梁上，所述前、后下滑轨分别安装在前下梁和后下梁上；所述前、后上滑轨分别设置在上梁的两侧。
4.根据权利要求3所述的装配复合材料翼盒的工装，其特征在于：所述机架为方管制成的框架结构，所述方管的表面上制有若干排通孔；所述梁定位器的连接件上设有与左、右支撑柱的通孔相匹配的安装孔，所述连接件与左、右支撑柱之间通过插入安装孔、通孔的螺栓固定在一起；所述前、后下梁上均设有用于对下滑块进行限位的挡板，所述挡板通过插入前下梁或后下梁通孔的螺栓分别与前下梁、后下梁连接。
5.一种使用权利要求1所述的工装装配翼盒的方法，所述翼盒由前梁、后梁、右肋、中间肋、左肋和上、下壁板构成；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、在所述左、右支撑柱上安装梁定位器，利用辅助定位器将后梁、前梁均通过夹紧钳固定在梁定位器上；
步骤二、所述肋定位器由右肋定位器、中间肋定位器与左肋定位器构成，将右肋放在后梁、前梁之间的预定装配位置，移动上、下滑块块带动卡板移动到相应位置，再在卡板安装右肋定位器对右肋进行定位；然后使用同样的方法安装中间肋定位器与左肋定位器来定位中间肋与左肋；在后梁、前梁以及右肋、中间肋、左肋组成的骨架上划线并制孔，利用穿心夹进行临时连接，然后拆除肋定位器；
步骤三、在前梁、后梁上开设定位销孔，所述上壁板上开设与定位销孔相匹配的销孔，然后通过定位销将上壁板安装到骨架上，在辅助定位器的配合下，对上壁板进行预定位；
在卡板上安装测力压紧器，对上壁板和骨架之间的间隙进行测量，使用遗传算法确定测力压紧器的数目、位置及压紧力的大小；具体方法如下：
1）基于内聚力模型建立上壁板的三维有限元模型，采用三维实体单元，每层厚度方向用一个单元模拟；在壁板表面建立多个压紧力参考点，在每个参考点上施加一个压紧力；
2)随机生成一个种群，该种群包括若干个个体，每个个体为压紧力参考点的位置和压紧力的大小的布局方案；并对每个个体中的压紧力参考点的X坐标值进行约束，使压紧力参考点的X坐标值的数量不超过卡板的数量，其中X轴的方向为沿下滑轨的方向；
3)将个体逐一赋予有限元模型进行计算，获得相应的上壁板与骨架之间的间隙消除率以及上壁板的分层损伤情况作为个体适应度值；所述间隙消除率是对预设监测点处的间隙消除比率，所述上壁板的分层损伤情况是用于表征上壁板分层单元产生损伤的情况；
4)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体，同样对每个个体中的压紧力参考点的X坐标值进行约束，使压紧力参考点的X坐标值的数量不超过卡板的数量；
移动上、下滑块带动卡板，根据遗传算法得到的最优个体调整测力压紧器的数目、位置及压紧力的大小；
用同样的方法对下壁板进行预定位；
步骤四、卸下骨架临时连接所用的穿心夹，先通过螺栓将前梁、后梁、右肋、中间肋和左肋连接在一起形成骨架，再通过螺栓将骨架与上、下壁板连接在一起，即完成了翼盒的装配。
6.根据权利要求5所述的装配翼盒的方法，其特征在于：步骤三中，对种群中的每个个体进行干涉检查，剔除压紧器存在干涉情况的个体。
7.根据权利要求5所述的装配翼盒的方法，其特征在于：所述卡板上设有若干用于安装测力传感器的工位，用于调整测力传感器的位置。
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