大型薄壁结构柔性装配的容差分配方法建模及应用

作     者：邓向阳 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：来新民

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：大型薄壁结构 基本变形模式 变形协调 容差分配 遗传算法 

摘      要：大型薄壁结构是广泛应用于航空航天领域的一类零件,它具有厚度薄、刚性弱等特点,这些特点决定了薄壁结构在装配过程中容易发生柔性变形,对其装配精度和力学性能有很大影响。同时,大型薄壁结构装配过程的变形协调将导致零件偏差的重新分配。基于尺寸链和偏差流建立的容差分配模型不能很好得考虑大型薄壁结构装配过程的柔性变形和变形协调,导致对大型薄壁结构的装配过程难以进行合理的容差分配。现有的大型薄壁结构的容差分配方案主要依赖于设计人员的经验以及定型产品的容差分配方案,现场装配时需要进行反复修配,极大影响了装配效率和装配质量。针对大型薄壁结构装配过程中的柔性变形和装配变形协调问题,提出一种考虑装配变形协调的薄壁结构容差分配方法。采用改进的遗传优化算法求解优化模型,较大地提高了算法的收敛速度。对典型薄壁结构的装配过程进行容差分配,结合零件分配的容差结果进行含初始偏差场零件的装配仿真,通过仿真结果与容差分配结果的比较,验证容差分配模型的合理性。基于此对3350mm直径贮箱的层次化装配过程进行多层次的容差分配,设计了航天薄壁结构产品容差分配软件系统。主要研究内容及结论可以分为以下几个部分:(1)考虑装配变形协调的薄壁结构容差分配模型针对薄壁结构装配过程中的变形协调,提出一种考虑装配变形协调的薄壁结构容差分配方法。通过模态分析的方法确定构件的基本变形模式,基于装配区域的力平衡和变形协调条件推导零件与装配体偏差因子的关联关系。以大型薄壁结构的加工精度、装配体几何精度指标以及偏差因子的关联关系为约束条件,以产品的加工成本、修配成本和质量损失成本为优化目标,建立薄壁结构的容差分配优化模型。(2)大型薄壁结构的多层次容差分配模型及求解算法针对大型薄壁结构层次化装配的特征,建立了薄壁结构多层次容差分配模型,简化模型的求解规模。基于改进的遗传优化算法,建立了子问题的求解算法;结合容差分配的结构框架将装配设计指标依次向下层解,并且建立了薄壁结构装配过程的几何指标计算方法,较大的提高了薄壁结构容差分配模型的求解效率。(3)典型薄壁结构的容差分配及装配质量分析结合典型薄壁结构的装配过程,建立对应的容差分配模型。根据容差分配的结果进行含初始偏差场零件的装配仿真,通过仿真结果与容差分配结果的比较验证模型解决大型薄壁结构容差分配问题的合理性,并且探究了设计指标波动对容差分配的影响。(4)火箭贮箱的多层次化容差分配考虑3350mm直径火箭贮箱的装配工序,建立贮箱装配的容差分配优化模型,对各级总成进行层次化容差分配计算,为工艺过程设计提供指导方案。同时开发了面向航天薄壁结构产品容差分配的软件系统,提高了大型薄壁结构容差分配的效率与精度。综上所述,本文构建了考虑装配变形协调的薄壁结构容差分配模型和基于改进遗传算法的求解方法。针对贮箱装配进行了多层次化容差分配,确定了贮箱各级装配体及零件的容差域。设计了面向航天薄壁结构产品的容差分配软件系统。