CN115017612A - 一种用于批量铆接部件的变形预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于批量铆接部件的变形预测方法，属于预测形变邻域。该方法在单钉铆接显示动力学有限元分析得到局部位移场数据的基础上利用“局部‑整体”分层映射简化批量铆接变形模型，实现对批量铆接部件铆接过程中铆接变形计算效率和装配质量的提升与优化。本方法针对批量铆接容易累积应力应变的问题，结合显示动力学有限元分析法得到单钉铆接的局部位移场数据，然后根据铆接变形弹塑性影响规律对批量铆接变形建立分层映射等效预测模型，简化批量铆接过程的应力应变求解过程，提升应力应变计算效率和控制铆接变形，从而进一步提高整个批量铆接部件的装配质量。

Description

一种用于批量铆接部件的变形预测方法

技术领域

本发明属于预测形变邻域，特别是一种批量铆接部件的变形预测方法。

背景技术

铆接作为飞机装配过程中的重要环节，是实现飞机自动化装配的重要技术手段。但舱门进行铆接时刚度小、铆接孔位数量多，使得舱门不断非线性累积应力应变，最终导致舱门铆接装配产生整体变形，严重影响飞机整体的装配准确度和协调性，降低飞机的使用寿命。因此，针对舱门批量铆接过程中容易累积应力应变且计算量大的问题，研究制定一种准确高效的铆接变形预测方法对控制舱门装配变形具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明针对批量铆接容易累积应力应变计算效率低下的现状，提供了一种基于“局部-整体”分层映射算法的批量铆接部件变形预测方法。本方法针对批量铆接容易累积应力应变的问题，结合显示动力学有限元分析法得到单钉铆接的局部位移场数据，然后根据铆接变形弹塑性影响规律对批量铆接变形建立分层映射等效预测模型，简化批量铆接过程的应力应变求解过程，提升应力应变计算效率和控制铆接变形，从而进一步提高整个部件的装配质量。

本发明的技术方案是一种用于批量铆接部件的变形预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据单钉铆接部位的多个测量点在铆接前后的位置变化，确定单钉铆接局部位移场；

步骤2：进行“局部-整体”位移场分层映射；

步骤2.1：对每个铆接部位建立一个圆柱形包围盒，该圆柱形包围盒的半径为R'；

步骤2.2：对铆接区域进行轴向分层，并创建面节点集合，由面节点集合中各节点进行合并等效后得到等效层节点集合SurfNode；

定义等效层节点集合SurfNode中每个等效层节点(x_p ⁱ,y_p ⁱ,z_p ⁱ)与创建的面节点集合中的节点之间的距离为l，得到径向等比分层的距离d_j和径向分层容差范围Δ；

Δ＝d_j-d

其中，M径向分层的等分数；d为l与铆接孔半径R的差值；

步骤2.3：将前一铆接孔的位移场作为下一铆接孔铆接的边界条件将步骤1得到的局部位移场，依次映射到创建的相应的面节点集合中；

步骤2.4：根据铆接顺序，依次对各铆接部位进行有限元计算，计算完最后一个铆接部位后得到整个批量铆部件接变形量。

进一步的，所述步骤1的具体方法为：

步骤1.1：确定民批量铆接部件的单钉铆接有限元铆接模型；

步骤1.2：确定显式动力学有限元方法对模型仿真求解；

获取单钉铆接区域各部分的材料属性，获取铆钉和铆接部件的前后接触关系，获取批量铆接部件对铆钉的边界约束条件和约束载荷，然后根据获取的信息对铆钉铆接过程进行计算，得到单钉铆接变形应力应变云图；

步骤1.3：选取Q个测量点，计算这Q个测量点铆接前后垂直于径向方向上的位移变化量σ_i，即得到单钉铆接变形后的局部位移场数据集Ω(σ₁,σ₂,...,σ_Q)，

σ_i＝D_i-D₀,i∈(1,2,..,Q)

其中，D_i为选取的测量点铆接变形的钉孔直径，D₀为等距选取的测量点铆接前的钉孔直径。

进一步的，所述步骤2.1创建包围盒的具体方法为：

确定圆柱形包围盒半径R'对不同铆接孔半径R的取值范围为：

R'＝(1.5R,2.0R,2.5R,3.0R,3.5R,4.0R)

采用下式对每个铆接区域的坐标进行变换；

h＝h₁+h₂

其中，(x₀,y₀,z₀)为铆接变形前铆接孔的三维坐标；h₁,h₂为蒙皮和长桁的厚度；A、B、C为铆接孔沿法矢方向的余弦；N为沿轴向的弹塑性主要影响区域的分层数；(x_p,y_p,z_p)为铆接点(x₀,y₀,z₀)经过i'次铆接后沿法矢负方向的坐标；以变换后的坐标(x_p,y_p,z_p)为中心创建圆柱包围盒。

进一步的，所述步骤2.4的具体方法为：

批量铆接模型进行有限元仿真求解，除去分析步和载荷的设置，其余与单钉铆接有限元仿真过程一样；分析步的设置与孔群总数T一致，并设置铆接力F_RP、压缩速度V₃，利用显式动力学有限元方法模拟铆接的压铆阶段、卸载阶段、回弹阶段，然后逐步对每个铆接孔进行铆接模拟有限元分析，在每次铆接有限元过程中直接调用单钉局部位移场数据，得到每个分析步中的应力应变数据，以此得到批量铆接变形量。

进一步的，步骤1.1中批量铆接部件的单钉铆接有限元铆接模型包括：蒙皮模型、长桁模型、沉头铆钉模型、上下铆钉模型。

本发明建立了“局部-整体”分层映射算法的批量铆接变形预测模型，首先利用有限元分析法得到单钉铆接变形的局部位移场数据，然后根据铆接变形的弹塑性主要影响区域的变形原理，将批量铆接模型逐个建立弹塑性影响区域尺寸大小的圆柱形包围盒，并对包围盒进行轴向和径向分层，得到以层节点为对象的铆接模型，以局部位移场为边界条件，通过分层映射算法和设计显示动力学有限元方法求解预测批量铆接的变形量，最后实现批量铆接部件变形的预测，提升了批量铆接部件变形预测的计算效率。

附图说明：

图1为单钉铆接装配示意图；

图2为沉头铆钉铆接尺寸示意图；

图3为节点径向分层示意图

图4为“局部-整体”位移场分层映射过程

图5为飞机舱门批量铆接孔群示意；

图6为飞机舱门铆接顺序示意图；

图7为具体实施流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例程详细说明(图7)，本实施例程在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例程。

实施例程主要可以分为以下几个步骤：

步骤1：确定单钉铆接局部位移场

步骤1.1：确定单钉铆接有限元铆接模型

民用机舱门单钉铆接有限元铆接模型包括蒙皮、长桁、沉头铆钉、上下铆模(冲头)，单钉铆接装配模型如图1所示。在进行单钉铆接有限元之前，设定一些假设条件，具体见表1所示。

步骤1.2：确定显式动力学有限元方法对模型仿真求解

建立单钉铆接装配模型尺寸如图2所示，几何参数符合定义如表2所示，对模型各部件进行属性材料设置、设置分析步和建立接触关系、设置边界条件约束和载荷、模型剖分和网格划分，最后提交作业进行求解。

(1)材料属性设置。查阅铆接模型中蒙皮、长桁、沉头铆钉各部件的材料参数，包括材料的弹性形变量(弹性模量E、泊松比μ)，塑性形变量(屈服强度σ_s和断裂强度极限σ_b)以及质量密度ρ，为上下冲头铆模分别设置点质量/惯性m_RP1,m_RP2、转动惯量I_RP1,I_RP2。

(2)设置分析步和接触关系。单钉铆接除去默认分析步Initial，设置一个分析步Step-1，并建立舱门蒙皮、长桁、沉头铆钉、上下铆模的主从面接触关系，各接触面主要有两个摩擦系数分别为f₁,f₂，具体主从面接触关系见表4所示。

(3)设置边界条件约束和载荷。完全固定上铆模但保留Z轴方向的位移和速度，蒙皮长桁左右边界完全固定。下铆模预留铆接力施力点RP。

(4)模型剖分和网格划分。对模型各部件按照网格划分规则进行一定的剖分和网格划分

(5)仿真求解。将以上各个模块设置好后的模型，在有限元仿真软件中利用显式动力学方法提交作业并求解。

步骤1.3：确定单钉铆接变形局部位移场

提交后得到单钉铆接变形应力应变云图，在铆接模型铆接前后建立柱坐标系，以上铆模为基准面，沿模型钉孔轴向等距选取Q个测量点，得到这Q个测量点铆接前后沿径向的直径位移变化量，即每个选取的测量点处铆钉直径干涉量σ_i，即得到单钉铆接变形后的局部位移场数据集Ω(σ₁,σ₂,...,σ_Q)。

σ_i＝D_i-D₀,i∈(1,2,..,Q) (0-1)

式中D_i为等距选取的测量点铆接变形的钉孔直径，D₀为等距选取的测量点铆接前的钉孔直径。

步骤1.4：提取单钉铆接局部位移场

考虑到被连接件的变形主要发生在沿孔的径向与轴向，因此需对径向与轴向的变形进行分析。为利于对局部场数据进行分析，对处于同一层的节点进行径向划分：以孔轴线为中心，沿径向将由处于同一距离的节点连接而成的曲线命名为曲线k(k＝1,2,...,n)，在曲线k上等距选取若干个节点作为测量点，分析测量点之间在径向、轴向、切向的位移，如图3所示。

步骤2：结合“局部-整体”位移场分层映射方法

位移场分层映射方法是在“局部－整体”映射思路下，将单钉模型计算后的局部场数据加载到整体模型中；将模型中待映射区域的节点进行分层操作，以各层节点为加载对象，调用局部场数据映射到相应的节点层上。考虑到单曲度蒙皮曲率较小，在钉孔局部区域可近似视为平面，所以本发明采用的分层映射法的思想是通过引入一个包围盒并改变其尺寸来对铆接主要影响区域内的节点进行分层操作，以保证局部场能够准确地映射到对应的节点上，如图4所示。

步骤2.1：确定舱门批量铆接模型

在舱门铆接过程中，同属于一个连接件的孔群需要一起铆接，然后切换到下一铆接孔群，因此本发明利用圣维南定理选定舱门的属于某个连接件的区域进行批量铆接变形预测，批量铆接区域如图5所示。按照舱门长桁方向从左到右的铆接顺序进行铆接的模型示意如图6所示。

步骤2.2：确定“局部-整体”分层映射算法等效预测模型

铆接过程是一个多状态的增量过程，每个铆钉的铆接过程都可看作一种状态，在任意的铆接过程中都会产生一定的铆接变形。随着铆接过程的不断持续，整个舱门的铆接变形会不断的传递、积累，导致舱门产生整体变形。因此，本发明提出基于“局部-整体”分层映射算法根据铆接孔的数量设定多个分析步，将每个铆接孔的仿真过程设置为一个分析步，在每个分析步中将步骤1得到的单钉铆接的局部位移场数据作为边界条件加载到批量铆接整体模型上，具体实现过程如图4所示。

Step-1：有限元分析量化得到的弹塑性影响区域；

Step-2：设计动力学有限元仿真实验提取局部位移场；

Step-3：获取舱门批量铆接各铆接孔位信息并以弹塑性影响区域创建圆柱形包围盒；

Step-4：考虑舱门曲率，对映射区域处理得到与单钉模型一致的映射区域；

Step-5：对铆接点坐标进行变换；

Step-6：根据弹塑性影响区域的映射创建包围盒并轴向分层、径向分层；

Step-7：得到批量铆接模型的各个层节点对象

如图4所示通过把模型中待映射区域的节点进行分层操作，调用步骤1得到的局部场数据文件中对应节点的数据，映射到相应的节点层上。考虑到舱门蒙皮曲率较小，在钉孔局部区域近似平面，所以本发明提出的分层映射法在每个铆接孔处引入一个圆柱形包围盒，不同连接件铆接孔间距不等，最小间距为17mm，最大为32mm，圆柱形包围盒尺寸R'(圆柱盒地面半径)通过建立不同间距显示动力学有限元仿真实验，确定铆接孔半径最佳弹塑性划分区域R'在不同铆接区域的取值，然后铆接主要影响区域范围内的节点轴向进行分层操作，保证局部场能够准确映射到对应的节点上，同时考虑舱门蒙皮曲率对经过轴向分层映射操作的层节点进行径向分层操作，设定一定的容差范围Δ，保证映射节点与等效映射之前的铆接点对应。

最终通过实验得到圆柱形包围盒半径R'对不同铆接孔间距的取值范围为：

R'＝(1.5R,2.0R,2.5R,3.0R,3.5R,4.0R)(0.2)

完成映射区域划分后，使用定比分点坐标公式沿法矢负方向对铆接前的铆接点坐标进行变换：

h＝h₁+h₂ (0-4)

其中(x₀,y₀,z₀)为铆接变形前铆接孔的三维坐标；h₁,h₂为蒙皮和长桁的厚度；A、B、C为铆接孔沿法矢方向的余弦；N为沿轴向的弹塑性主要影响区域的分层数；(x,y,z)为铆接点(x₀,y₀,z₀)经过i'次铆接后沿法矢负方向的坐标。

得到变换后的坐标(x_p,y_p,z_p)并以此为中心创建圆柱包围盒，对铆接区域进行轴向分层操作并创建面节点集合SurfNode。

定义层节点面集合SurfNode中每个等效层节点(x_p ⁱ,y_p ⁱ,z_p ⁱ)与创建的面节点集合中的节点之间的距离为l，得到径向等比分层的距离d_j和径向分层容差范围Δ。

Δ＝d_j-d (0-7)

其中M径向分层的等分数；d为l与铆接孔半径R的差值。

步骤2.3：调用局部位移场数据库中的位移数据，映射到创建的相应节点集合。

调用单钉铆接局部位移场，前一铆接孔的位移场作为下一铆接孔铆接的边界条件，设置铆接顺序依次进行直至到最后铆接孔。

步骤2.4：设计显示动力学有限元方法对模型仿真求解

批量铆接模型进行有限元仿真求解，除去分析步和载荷的设置，其余与单钉铆接有限元仿真过程一样。分析步的设置与孔群总数T一致，并设置铆接力F_RP、压缩速度V₃，利用显式动力学有限元方法模拟铆接的压铆阶段、卸载阶段、回弹阶段，具体如表3所示，然后逐步对每个铆接孔进行铆接模拟有限元分析，在每次铆接有限元过程中直接调用单钉局部位移场数据，得到每个分析步中的应力应变数据，以此得到批量铆接变形量。

表1铆接必要假设条件

表2铆接几何参数的符号定义

表3批量铆接分析步和载荷设计(z轴向上)

表4单钉铆接接触对及摩擦定义

Claims (5)

1.一种用于批量铆接部件的变形预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据单钉铆接部位的多个测量点在铆接前后的位置变化，确定单钉铆接局部位移场；

步骤2：进行“局部-整体”位移场分层映射；

步骤2.1：对每个铆接部位建立一个圆柱形包围盒，该圆柱形包围盒的半径为R'；

步骤2.2：对铆接区域进行轴向分层，并创建面节点集合，由面节点集合中各节点进行合并等效后得到等效层节点集合SurfNode；

定义等效层节点集合SurfNode中每个等效层节点(x_p ⁱ,y_p ⁱ,z_p ⁱ)与创建的面节点集合中的节点之间的距离为l，得到径向等比分层的距离d_j和径向分层容差范围Δ；

Δ＝d_j-d

其中，M径向分层的等分数；d为l与铆接孔半径R的差值；

步骤2.3：将前一铆接孔的位移场作为下一铆接孔铆接的边界条件将步骤1得到的局部位移场，依次映射到创建的相应的面节点集合中；

步骤2.4：根据铆接顺序，依次对各铆接部位进行有限元计算，计算完最后一个铆接部位后得到整个批量铆接部件变形量。

2.如权利要求1所述的一种用于批量铆接部件的变形预测方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法为：

步骤1.1：确定批量铆接部件的单钉铆接有限元铆接模型；

步骤1.2：确定显式动力学有限元方法对模型仿真求解；

获取单钉铆接区域各部分的材料属性，获取铆钉和批量铆接部件的前后接触关系，获取批量铆接部件对铆钉的边界约束条件和约束载荷，然后根据获取的信息对铆钉铆接过程进行计算，得到单钉铆接变形应力应变云图；

步骤1.3：选取Q个测量点，计算这Q个测量点铆接前后垂直于径向方向上的位移变化量σ_i，即得到单钉铆接变形后的局部位移场数据集Ω(σ₁,σ₂,...,σ_Q)，

σ_i＝D_i-D₀,i∈(1,2,..,Q)

其中，D_i为选取的测量点铆接变形的钉孔直径，D₀为等距选取的测量点铆接前的钉孔直径。

3.如权利要求1所述的一种用于批量铆接部件的变形预测方法，其特征在于，所述步骤2.1创建包围盒的具体方法为：

确定圆柱形包围盒半径R'对不同铆接孔半径R的取值范围为：

R'＝(1.5R,2.0R,2.5R,3.0R,3.5R,4.0R)

采用下式对每个铆接区域的坐标进行变换；

h＝h₁+h₂

其中，(x₀,y₀,z₀)为铆接变形前铆接孔的三维坐标；h₁,h₂为蒙皮和长桁的厚度；A、B、C为铆接孔沿法矢方向的余弦；N为沿轴向的弹塑性主要影响区域的分层数；(x_p,y_p,z_p)为铆接点(x₀,y₀,z₀)经过i'次铆接后沿法矢负方向的坐标；以变换后的坐标(x_p,y_p,z_p)为中心创建圆柱包围盒。

4.如权利要求1所述的一种用于批量铆接部件的变形预测方法，其特征在于，所述步骤2.4的具体方法为：

批量铆接模型进行有限元仿真求解，除去分析步和载荷的设置，其余与单钉铆接有限元仿真过程一样；分析步的设置与孔群总数T一致，并设置铆接力F_RP、压缩速度V₃，利用显式动力学有限元方法模拟铆接的压铆阶段、卸载阶段、回弹阶段，然后逐步对每个铆接孔进行铆接模拟有限元分析，在每次铆接有限元过程中直接调用单钉局部位移场数据，得到每个分析步中的应力应变数据，以此得到批量铆接变形量。

5.如权利要求2所述的一种用于批量铆接部件的变形预测方法，其特征在于，步骤1.1中批量铆接部件中单钉铆接有限元铆接模型包括：蒙皮模型、长桁模型、沉头铆钉模型、上下铆钉模型。

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