CN113987706A - 一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法 - Google Patents

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CN113987706A CN202111265353.0A CN202111265353A CN113987706A CN 113987706 A CN113987706 A CN 113987706A CN 202111265353 A CN202111265353 A CN 202111265353A CN 113987706 A CN113987706 A CN 113987706A
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童鑫
仝苏晨
薛东
张贺
张�杰
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Abstract

本发明公开了一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，具体按照以下内容实施：获取壁板零件初始刚度矩阵；采用柔性工装根据N‑2‑1定位原理对壁板零件进行定位与夹紧；根据壁板零件位置，对定位零件进行定位与夹紧，逐一将定位零件与壁板零件干涉连接，每干涉连接一个定位零件后，基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，并计算壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量，直到所有定位零件装夹完成，记录最后的壁板零件关心点的位移，即获得叠层结构件的柔性装配偏差。本发明基于干涉内应力的考虑，提高了装配偏差分析的准确性。

Description

一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法
技术领域
本发明属于柔性件装配技术领域，涉及一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法。
背景技术
纤维增强材料制成的叠层薄壁类结构件零件具有高性能、轻质化的特点，广泛运用于飞机蒙皮零件。干涉配合作为其主要连接方式，其在连接过程中在材料表面引入了干涉应力，可以提高连接处疲劳寿命，然而复合材料薄壁件具有尺寸大、刚度小、各向异性等特性，并伴随装配过程中零件本身的形状误差、定位误差、安装误差产生不可避免的变形，进而影响到后续飞机部件和总装的装配质量。
复合材料壁板零件，如翼盒蒙皮、机头整流罩等，多采用N-2-1定位原理的柔性工装进行定位、夹紧。然而由于壁板零件自身的制造误差、装配型架的制造误差及安装定位误差的引入，使柔性件装配中产生间隙或干涉，虽然会采用卡具进行强制装配消除相关间隙或者干涉，但是装配力释放后柔性零件会产生一定程度的变形。1997年，Liu和Hu将柔性件装配分解成四个步骤：定位、夹紧、装配、释放回弹，并在使用有限元分析及统计方法的基础上，提出了影响系数法(MIC)，通过构建敏感矩阵建立了零件偏差与装配体回弹偏差之间的线性关系。复合材料壁板零件通过铆接、高锁螺栓等进行干涉连接完成整体部件的连接与装配，连接处孔壁不可避免地引入了沿层应力，且由于壁板零件属于薄壁柔性件，会产生明显的刚化效应，造成装配回弹变形过程复杂，传统的影响系数法会对分析结果产生比较大的偏差。林嘉等得出在薄壁结构产生较大应力刚化效应两种不同装配情况，并给出了实际的有限元仿真分析案例，得出一尺寸为200×200×1mm均质金属板在总长度的0.01％拉伸量下的垂直弯曲刚度会增加82.3％，说明装配过程中的薄壁件的刚化效应不容忽视。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，基于干涉内应力的考虑，提高了装配偏差分析的准确性。
本发明所采用的技术方案是，一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，叠层结构件包括壁板零件和定位零件，定位零件通过卡具进行夹紧定位，壁板零件和定位零件通过柔性工装进行装配，壁板零件和定位零件为干涉连接，具体按照以下内容实施：
获取壁板零件初始刚度矩阵；
采用柔性工装根据N-2-1定位原理对壁板零件进行定位与夹紧；
根据壁板零件位置，对定位零件进行定位与夹紧，逐一将定位零件与壁板零件干涉连接，每干涉连接一个定位零件后，基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，并计算壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量，直到所有定位零件装夹完成，记录并获得最后的壁板零件关键特征点的位移偏差。
本发明的特点还在于，
获取壁板零件初始刚度矩阵具体为，对壁板零件的理想模型进行有限元分析，并通过设定壁板零件的材料属性参数，获取壁板零件初始刚度矩阵。
逐一将定位零件与壁板零件干涉连接，每干涉连接一个定位零件后，基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，并计算壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量，直到所有定位零件装夹完成具体为：
测量该定位零件与壁板零件配合面特征点处的间隙值；通过卡具夹紧该定位零件，并测量卡具的夹紧力；将壁板零件与定位零件干涉连接，计算壁板零件干涉连接处的沿层应力场；将卡具的夹紧力和壁板零件干涉连接处的沿层应力场加载到壁板零件的有限元模型上，获取干涉连接后壁板零件的全局刚度矩阵；卸载该定位零件上的卡具，壁板零件产生变形，基于影响系数法获得该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，根据此时获得的壁板零件上所有关键特征点的回弹量，计算壁板零件在下一装夹的定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量；
每夹紧固定一定位零件，重复上述操作，按照此方式，直到最后一个干涉连接孔连接完成后，求出所有关键特征点回弹量。
测量该定位零件与壁板零件配合面特征点处的间隙值具体为：
分别测量壁板零件和该定位零件配合面的关键特征点在法向方向的制造误差Vs j和Vt j，该定位零件为第j个定位零件，Vs j为壁板零件在法向方向的制造误差，Vt j为该定位零件在法向方向的制造误差，1≤j≤n，n为定位零件总个数，n是不为0的自然数，第j个定位零件和壁板零件在相应的关键特征点处的间隙值
Figure BDA0003326806100000031
通过卡具夹紧该定位零件，并测量卡具的夹紧力具体为：
通过卡具夹紧第j个定位零件，使第j个定位零件与壁板零件配合面完全贴合，即此时
Figure BDA0003326806100000032
通过设置在第j个定位零件上卡具的力传感器测量采集并记录所测点的三向力分别为Fn、Fτ、Fξ。
将壁板零件与定位零件干涉连接，计算壁板零件干涉连接处的沿层应力场具体为：
将第j个定位零件通过干涉连接与壁板零件连接，通过有限元分析进行干涉连接处壁板零件内应力求解，获得干涉连接处周沿表面应力场分布σj。
基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，根据此时获得的壁板零件上所有关键特征点的回弹量，计算壁板零件在下一装夹的定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量具体为：
从线弹性假设出发，以第j个定位零件和壁板零件在相应的关键特征点处的间隙值
Figure BDA0003326806100000041
作为输入偏差，建立偏差源偏差和装配偏差之间的线性关系式，运用影响系数法建立壁板零件和定位零件在干涉连接点处的间隙与干涉连接回弹量之间的线性关系：
Figure BDA0003326806100000042
式(20)中，
Figure BDA0003326806100000043
为第j个定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，[S]为敏感度矩阵；
通过壁板零件初始刚度矩阵[Kn]，计算加载该刚度下，壁板零件所在装夹点处产生单位位移Ui，装夹点位置所需要的装夹力Fi，Fi也等于第j个定位零件夹具释放时各个装夹点的单位回弹力；
[Fi]＝[Kn]·Ui (21)
式(21)中，Fi表示第j个定位零件夹具释放时各个装夹点的单位回弹力，[Fi]表示装夹点产生单位位移Ui下的单位装夹力矩阵；
将单位回弹力Fi加载到装配体上计算壁板零件变形，其中装配体的刚度矩阵为获取干涉连接后壁板零件的全局刚度矩阵[Kj]，
Figure BDA0003326806100000057
根据式(22)计算单位回弹力作用下壁板零件单位回弹变形Uj；
计算壁板零件的回弹变形：将间隙值
Figure BDA0003326806100000051
带入式(20)，获得壁板零件单位回弹变形
Figure BDA0003326806100000052
其中影响系数矩阵[S]为：
[S]＝[Kn]-1·[Kj]·Uj (23)；
壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量为：
Figure BDA0003326806100000053
式(24)中，
Figure BDA0003326806100000054
表示干涉连接第j个定位零件后，壁板零件在第j+1个定位零件与壁板零件配合面处的回弹变形量，
Figure BDA0003326806100000055
表示连接第j个定位零件前，壁板零件在第j+1个定位零件与壁板零件配合面处的回弹变形量。
最后的蒙皮关键特征测量点的位移
Figure BDA0003326806100000056
本发明的有益效果是：
本发明一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，围绕复合材料壁板零件柔性装配同时考虑结合实际装配过程、考虑过定位点处零件受力的变化，准确得出干涉连接对于复合材料壁板零件装配偏差，有助于分析干涉连接对于复合材料壁板零件装配偏差的影响，能够提高装配精度分析，并提高工程应用的准确性与可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中蒙皮、肋、蒙皮工装、肋卡具的简化模型图；
图2为本发明实施例中多点阵真空吸盘式柔性工装结构示意图；
图3为本发明实施例中蒙皮上定位夹紧点及关键特性点的分布图；
图4为本发明实施例的流程图。
图中，1.肋a，2.蒙皮，3.肋b，4.肋卡具力传感器，5.肋c，6.肋夹具，7.定位点，8.肋夹紧点，9.壁板工装夹紧点，10.干涉连接点，11.关键特征点，12.可调立柱，13.支承座，14.Y向丝杠，15.排架，16.X向传动底座，17.基体，18.X向丝杆
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例提供一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，叠层结构件包括壁板零件和定位零件，本实施例中叠层结构件为飞机壁板组件上一块复合材料薄壁件蒙皮和三根肋，蒙皮即为壁板零件，肋即为定位零件，肋通过肋卡具进行夹紧定位，如图1所示，三根肋即肋a1、肋b3、肋c5定位于蒙皮2内表面上，蒙皮和三根肋通过柔性工装即多点阵真空吸盘式柔性工装进行装配。
如图2所示，多点阵真空吸盘式柔性工装主要由可调立柱12、支承座13、Y向丝杠14、排架15、X向传动底座16、基体17以及X向丝杆18组成。多点阵真空吸盘式柔性工装的可调立柱12在上述简化模型中，即可简化为主定位面上的六个圆柱体状的可调立柱12，可调立柱12具有集定位和夹紧于一体的功能，且真空吸盘能够产生足够大的真空吸力把蒙皮2固定在柔性工装上，使蒙皮2的定位和夹紧更加便携高效，同时为后面装配偏差分析提供更可靠的保证。
肋卡具力传感器4在肋夹具6夹头处设置，以进行肋夹具6在装夹过程中的装夹力的实时测量和实现蒙皮2更加精确定位，在蒙皮2侧边设置了槽销组合。
如图3所示为本实施例蒙皮2上定位点7、肋夹紧点8、壁板工装夹紧点9、干涉连接点10、关键特征点11分布图。定位点7设置了一个孔销组合在壁板一侧，定位了蒙皮2与基体17。肋夹紧点8布置在肋夹具6与蒙皮2配合处两端，通过肋夹具6将肋定位夹紧在壁板2上。每条肋与壁板配合面分布八个干涉连接点10，通过干涉连接将肋与壁板连接在一起。在蒙皮2上均布了关键特征点11，关键特征点11位于肋两两之间，用于检测蒙皮2上某些关键点位的装配误差，使分析更加精确。需要说明的是，蒙皮2上定位点7、肋夹紧点8、壁板工装夹紧点9、干涉连接点10、关键特征点11的个数并不限于本实施例所列举的数量，可根据实际情况增加或减少相应数量。
如图4所示，本实施例具体按照以下内容实施：
步骤1、获取蒙皮2初始刚度矩阵：对蒙皮2的理想模型进行有限元分析，并通过设定蒙皮2的材料属性参数，获取蒙皮2初始刚度矩阵[Kn]。
步骤2、采用柔性工装根据N-2-1定位原理对蒙皮2进行定位与夹紧：将蒙皮放置在阵列真空吸盘柔性工装上，以蒙皮的外表面为主定位面，基于N-2-1定位原理，布置六个定位夹紧元件对蒙皮定位夹紧，同时通过蒙皮侧边设置的槽销组合实现蒙皮的精准定位；值得说明的是，也可以采用别的工装或方式根据N-2-1定位原理对蒙皮2进行定位和夹紧，并不限于多点阵真空吸盘式柔性工装。
步骤3、根据蒙皮2对肋定位与夹紧：以蒙皮2的内表面为基准面，结合分布在肋两端的两个装配孔对肋进行定位，同时使用工艺螺栓将肋临时紧固的蒙皮2上。
步骤4、测量第j根肋与蒙皮配合面特征点处间隙值
Figure BDA0003326806100000071
分别测量蒙皮和第j根肋配合面的关键特征点在法向方向的制造误差Vs j和Vt j，Vs j为蒙皮2在法向方向的制造误差，Vt j为该肋在法向方向的制造误差，1≤j≤n，n为肋总个数，n＝3，以蒙皮和肋的法向制造误差值相减获得蒙皮和肋在其配合面处的间隙值，获得第j根肋和蒙皮2在相应的关键特征点处的间隙值
Figure BDA0003326806100000081
步骤5、采集肋卡具4夹紧力：通过肋卡具4夹紧第j根肋，使第j根肋与蒙皮2配合面完全贴合，即此时
Figure BDA0003326806100000082
通过布置在第j根肋上肋卡具4的力传感器测量采集并记录所测点的三向力Fn、Fτ、Fξ。
步骤6、计算干涉连接下的蒙皮2沿层应力场σj：将第j根肋通过干涉连接与蒙皮2连接，利用有限元分析软件abaqus进行孔的干涉连接下复材板件内应力求解，获得孔周沿表面应力场分布σj。
步骤7、更新刚度矩阵：将卡具的夹紧力Fn、Fτ、Fξ和蒙皮2干涉连接处的沿层应力场σj加载到蒙皮2的有限元模型上，获取干涉连接后蒙皮2的全局刚度矩阵[Kj]。
步骤8、卸载该肋上的卡具，蒙皮2产生变形，基于影响系数法获得该肋干涉连接后，蒙皮2上所有关键特征点的回弹量，具体包括
从线弹性假设出发，以第j根肋和蒙皮2在相应的关键特征点处的间隙值
Figure BDA0003326806100000085
作为输入偏差，建立偏差源偏差和装配偏差之间的线性关系式，运用影响系数法建立蒙皮2和肋在干涉连接点处的间隙与干涉连接回弹量之间的线性关系：
Figure BDA0003326806100000083
式(20)中，
Figure BDA0003326806100000084
为第j个肋干涉连接后，蒙皮2上所有关键特征点的回弹量，[S]为敏感度矩阵；
通过蒙皮2初始刚度矩阵[Kn]，计算加载该刚度下，蒙皮2所在装夹点处产生单位位移Ui，装夹点位置所需要的装夹力Fi，Fi也等于第j个肋肋夹具6释放时各个装夹点的单位回弹力；
[Fi]＝[Kn]·Ui (21)
式(21)中，[Fi]表示装夹点产生单位位移Uj下的单位装夹力矩阵；
将单位回弹力Fi加载到装配体上计算蒙皮2变形，其中装配体的刚度矩阵为获取干涉连接后蒙皮2的全局刚度矩阵[Kj]，
Figure BDA0003326806100000096
根据式(22)计算单位回弹力作用下蒙皮2单位回弹变形Uj；
计算蒙皮2的回弹变形：将间隙值
Figure BDA0003326806100000091
带入式(20)，获得单位回弹力作用下蒙皮2单位回弹变形Uj，其中影响系数矩阵[S]为：
[S]＝[Kn]-1·[Kj]·Uj (23)。
步骤9、将步骤8获得的蒙皮2上所有关键特征点的回弹量带入到第j+1到n条肋与蒙皮配合面的间隙值中，获得蒙皮在j+1到n条肋与蒙皮配合面处的回弹变形，其中蒙皮在第j+1根肋与蒙皮配合面的回弹变形量：
Figure BDA0003326806100000092
式(24)中，
Figure BDA0003326806100000093
表示干涉连接第j根肋后，蒙皮2在第j+1根肋与蒙皮2配合面处的回弹变形量；
Figure BDA0003326806100000094
表示连接第j根肋前，蒙皮2在第j+1根肋与蒙皮2配合面处的回弹变形量。
步骤10、重复步骤4-9直到最后一根肋装夹完成，记录最后的蒙皮关心点的位移Uf，
Figure BDA0003326806100000095
即获得复材蒙皮最终的装配偏差Vf。

Claims (8)

1.一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，叠层结构件包括壁板零件和定位零件，定位零件通过卡具进行夹紧定位，壁板零件和定位零件通过柔性工装进行装配，壁板零件和定位零件为干涉连接，其特征在于，具体按照以下内容实施：
获取壁板零件初始刚度矩阵；
采用柔性工装根据N-2-1定位原理对壁板零件进行定位与夹紧；
根据壁板零件位置，对定位零件进行定位与夹紧，逐一将定位零件与壁板零件干涉连接，每干涉连接一个定位零件后，基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，并计算壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量，直到所有定位零件装夹完成，记录最后的壁板零件关键测量特征点位移，即获得叠层结构件的柔性装配偏差。
2.根据权利要求1所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述获取壁板零件初始刚度矩阵具体为，对壁板零件的理想模型进行有限元分析，并通过设定壁板零件的材料属性参数，获取壁板零件初始刚度矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述逐一将定位零件与壁板零件干涉连接，每干涉连接一个定位零件后，基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，并计算壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量，直到所有定位零件装夹完成具体为：
测量该定位零件与壁板零件配合面特征点处的间隙值；通过卡具夹紧该定位零件，并测量卡具的夹紧力；将壁板零件与定位零件干涉连接，计算壁板零件干涉连接处的沿层应力场；将卡具的夹紧力和壁板零件干涉连接处的沿层应力场加载到壁板零件的有限元模型上，获取干涉连接后壁板零件的全局刚度矩阵；卸载该定位零件上的卡具，壁板零件产生变形，基于影响系数法获得该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，根据此时获得的壁板零件上所有关键特征点的回弹量，计算壁板零件在下一装夹的定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量；
每夹紧固定一定位零件，重复上述操作，按照此方式，直到最后一个干涉连接孔连接完成后，求出所有关键特征点回弹量。
4.根据权利要求3所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述测量该定位零件与壁板零件配合面特征点处的间隙值具体为：
分别测量壁板零件和该定位零件配合面的关键特征点在法向方向的制造误差Vs j和Vt j，该定位零件为第j个定位零件，Vs j为壁板零件在法向方向的制造误差，Vt j为该定位零件在法向方向的制造误差，1≤j≤n，n为定位零件总个数，n是不为0的自然数，第j个定位零件和壁板零件在相应的关键特征点处的间隙值
Figure FDA0003326806090000021
5.根据权利要求4所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述通过卡具夹紧该定位零件，并测量卡具的夹紧力具体为：
通过卡具夹紧第j个定位零件，使第j个定位零件与壁板零件配合面完全贴合，即此时
Figure FDA0003326806090000022
通过设置在第j个定位零件上卡具的力传感器测量采集并记录所测点的三向力分别为Fn、Fτ、Fξ。
6.根据权利要求5所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述将壁板零件与定位零件干涉连接，计算壁板零件干涉连接处的沿层应力场具体为：
将第j个定位零件通过干涉连接与壁板零件连接，通过有限元分析进行干涉连接处壁板零件内应力求解，获得干涉连接处周沿表面应力场分布σj。
7.根据权利要求6所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述基于影响系数法计算该定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量具体为：
从线弹性假设出发，以第j个定位零件和壁板零件在相应的关键特征点处的间隙值
Figure FDA0003326806090000034
作为输入偏差，建立偏差源偏差和装配偏差之间的线性关系式，运用影响系数法建立壁板零件和定位零件在干涉连接点处的间隙与干涉连接回弹量之间的线性关系：
Figure FDA0003326806090000031
式(20)中，
Figure FDA0003326806090000032
为第j个定位零件干涉连接后，壁板零件上所有关键特征点的回弹量，[S]为敏感度矩阵；
通过壁板零件初始刚度矩阵[Kn]，计算加载该刚度下，壁板零件所在装夹点处产生单位位移Ui，装夹点位置所需要的单位装夹力Fi，Fi也等于肋j夹具释放时各个装夹点的单位回弹力；
[Fi]＝[Kn]·Ui (21)
式(21)中，[Fi]表示装夹点产生单位位移Ui下的单位装夹力矩阵；
将单位回弹力Fi加载到装配体上计算壁板零件变形，其中装配体的刚度矩阵为获取干涉连接后壁板零件的全局刚度矩阵[Kj]，
Figure FDA0003326806090000033
根据式(22)计算单位回弹力作用下壁板零件单位回弹变形Uj；
计算壁板零件的回弹变形：将间隙值
Figure FDA0003326806090000041
带入式(20)，获得壁板零件单位回弹变形
Figure FDA0003326806090000042
其中影响系数矩阵[S]为：
[S]＝[Kn]-1·[Kj]·Uj (23)；
壁板零件在下一定位零件与壁板零件配合面的回弹变形量为：
Figure FDA0003326806090000043
式(24)中，
Figure FDA0003326806090000044
表示干涉连接第j个定位零件后，壁板零件在第j+1个定位零件与壁板零件配合面处的回弹变形量，
Figure FDA0003326806090000045
表示连接第j个定位零件前，壁板零件在第j+1个定位零件与壁板零件配合面处的回弹变形量。
8.根据权利要求7所述的一种考虑干涉连接下叠层结构件柔性装配偏差分析方法，其特征在于，所述最后的蒙皮关心点的位移
Figure FDA0003326806090000046
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