一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)變形建模方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)變形建模方法。該方法包括步驟：將飛機(jī)薄壁件和托板之間的定位夾緊關(guān)系簡(jiǎn)化為連續(xù)梁受多個(gè)支承座支承的模型；計(jì)算各托板的支持力，在所有中間托板位置將薄壁件截開(kāi)并將托板支承簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支支承；求解出各個(gè)托板的彎矩后，進(jìn)一步利用兩個(gè)托板的受力平衡模型，計(jì)算自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中承載飛機(jī)薄壁件的各個(gè)托板的支持力；將薄壁件按照托板位置劃分成相應(yīng)的小區(qū)域，針對(duì)每個(gè)小區(qū)域求解薄壁件變形，其中，每個(gè)小區(qū)域薄壁件受力變形模型簡(jiǎn)化為托板位置薄壁件簡(jiǎn)支支承，薄壁件表面僅受均布載荷的變形計(jì)算；最后計(jì)算出薄壁件中面沿方向的變形量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)變形建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚變形建模方法，主要是針對(duì)飛機(jī)薄壁件在自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中多個(gè)姿態(tài)下求解薄壁件變形的建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002]自動(dòng)鉆鉚技術(shù)是目前飛機(jī)裝配線上的先進(jìn)技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)薄壁件的自動(dòng)鉆鉚。自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要由自動(dòng)鉆鉚機(jī)和相配的托架組成。自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中要求鉆頭或鉚釘與鉆鉚點(diǎn)的法線重合，因此需要計(jì)算托架和薄壁件的變形量并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中圍框質(zhì)量大且跨度較長(zhǎng)，造成飛機(jī)薄壁件在還沒(méi)有上架之前就因自重而產(chǎn)生較大的變形撓度，給鉆鉚點(diǎn)的法向找尋帶來(lái)一定的困難。同時(shí)，由于托板的數(shù)量及分布間距受鉆鉚空間和鉆鉚效益的限制，相鄰?fù)邪逯g必須存在一定的間距。實(shí)際鉆鉚過(guò)程中飛機(jī)壁板多為大型薄壁件，薄壁件安裝在托板上會(huì)因?yàn)樽灾囟斐上鄳?yīng)的變形，同時(shí)自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中托架的多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)讓薄壁件的變形也具有了動(dòng)態(tài)多樣性。
[0003]目前，較多的研究主要集中在自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中托架?chē)虻慕孛鎯?yōu)化、托架自重在自動(dòng)鉆鉚狀態(tài)下的變形量計(jì)算及補(bǔ)償方面。文獻(xiàn)“自動(dòng)鉆鉚托架?chē)驒M梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)”(《機(jī)械制造》，2010年08期)對(duì)自動(dòng)鉆鉚托架的圍框橫梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使托架在滿足剛度和強(qiáng)度的要求下，盡可能輕巧，為設(shè)計(jì)、制造圍框提供了較好的依據(jù)。文獻(xiàn)“基于CATIA V5的自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形研究”(《航空制造技術(shù)》，2008年16期)，研發(fā)了基于CATIA V5的托架變形補(bǔ)償技術(shù)及變形模擬系統(tǒng)，進(jìn)一步研究了托架變形。目前，對(duì)于薄壁件上架定位、夾緊后因自重引起的變形研究較少，給自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的鉆鉚精度帶來(lái)一定的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了計(jì)算薄壁件上架定位夾緊后因自重引起的變形量并驗(yàn)證托板布局的合理性，本發(fā)明公開(kāi)了一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)變形建模方法。該方法包括如下步驟:
[0005]I)將托板支撐壁板簡(jiǎn)化為連續(xù)梁受多個(gè)支承座支承的模型，計(jì)算各托板的支撐力和彎矩；
[0006]2)利用各個(gè)托板位置確定的邊界條件，結(jié)合殼體理論計(jì)算壁板的變形量。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:利用理論模型求解飛機(jī)薄壁件在自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中定位、夾緊后各個(gè)托板的受力。為托板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、數(shù)目以及在托架上的分布提供一定的依據(jù)。同時(shí)，計(jì)算托板間距已知的情況下薄壁件的變形量，通過(guò)控制最大的變形量來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證托板數(shù)量和分布是否合理。
[0008]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)示意圖；
[0010]圖2為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖；
[0011]圖3為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的薄壁件上架后薄壁件與托板相對(duì)位置及薄壁件分區(qū)圖；
[0012]圖4為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的薄壁件與托板簡(jiǎn)化模型圖；
[0013]圖5為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的中間托板及相鄰兩跨薄壁件受力圖；
[0014]圖6為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的中壁板分區(qū)及受力圖；以及
[0015]圖7為根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的飛機(jī)薄壁件的變形量建模方法的流程框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]在以下的實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，參照構(gòu)成該描述的一部分的附圖進(jìn)行說(shuō)明。附圖以示例的方式展示出特定的實(shí)施方式，本發(fā)明被實(shí)現(xiàn)在這些實(shí)施方式中。所示出的實(shí)施方式不是為了窮盡根據(jù)本發(fā)明的所有實(shí)施方式。可以理解，其他的實(shí)施方式可以被利用，結(jié)構(gòu)性或邏輯性的改變能夠在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下被做出。
[0017]為了研究薄壁件上架后在自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)多個(gè)姿態(tài)下的變形，本發(fā)明提供了一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)變形建模方法。前提假設(shè)托架的變形量在水平狀態(tài)已經(jīng)通過(guò)調(diào)節(jié)托板的位置得到補(bǔ)償?？紤]薄壁件上架后在自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)下其自重和托板分布引起薄壁件的動(dòng)態(tài)變形，建立自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)下各個(gè)托板的受力以及薄壁件變形的建模方法。
[0018]如圖1所示，自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)10主要由自動(dòng)鉆鉚機(jī)100和相配的托架200組成。其中，托架200由端梁202與橫梁204焊接而成的圍框206、定位夾緊薄壁件的托板208和固定連接在圍框206的兩根橫梁204上用于為托板208及附件提供支承作用的角板210組成。自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中要求鉆頭或鉚釘與鉆鉚點(diǎn)的法線重合，因此需要計(jì)算托架200和薄壁件的變形量并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。如前所述，自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中圍框206質(zhì)量大且跨度較長(zhǎng)，造成飛機(jī)薄壁件在還沒(méi)有上架之前就因自重而產(chǎn)生較大的變形撓度，給鉆鉚點(diǎn)的法向找尋帶來(lái)一定的困難。
[0019]下面，詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明的建模方法。
[0020](I)如圖2所示，自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中，飛機(jī)薄壁件上架后將薄壁件和托板208之間的定位、夾緊關(guān)系簡(jiǎn)化為連續(xù)梁受多個(gè)支承座支承的模型(多姿態(tài)依據(jù)圖2中的α角和β角的改變體現(xiàn)，實(shí)際鉆鉚過(guò)程中β角很小(-4°?+4° )對(duì)薄壁件重力在托板208上的分布影響較小，本文不予以考慮)。其中，參見(jiàn)圖2和圖3，圖2所示的在X'方向延伸的橫梁204與圖3所示的飛機(jī)薄壁件S的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)(圖2中)，支承座支承端梁202位置和托板支承薄壁件位置對(duì)應(yīng)。同時(shí)，將端梁202最左邊支承座假定為固定支承，其余支承座假設(shè)為簡(jiǎn)支支承，簡(jiǎn)化后模型如圖4所示。在模型中各跨受力用均布載荷qw表示，qw = GiZli,其中，Gi表示第i跨薄壁件的重力，Li表示第i跨的長(zhǎng)度。
[0021](2)計(jì)算各個(gè)托板208的支持力，即，求解各個(gè)支承座的支持力。在所有中間托板208對(duì)應(yīng)位置將薄壁件S截開(kāi)，并將托板208支承簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支支承。每?jī)蓚€(gè)支承之間為一個(gè)跨距，每個(gè)跨距上的薄壁件S僅承受直接作用于該跨的載荷以及兩端的支點(diǎn)彎矩(一個(gè)或兩個(gè)多余未知力)。如圖5所示，可以很方便地求出薄壁件S在托板208處的轉(zhuǎn)角，并根據(jù)中間支座處相連兩截面轉(zhuǎn)角相同的條件建立補(bǔ)充方程，從而確定全部托板208位置的彎矩:

【權(quán)利要求】
1.一種飛機(jī)薄壁件自動(dòng)鉆鉚多姿態(tài)變形建模方法，其包括如下步驟: (1)將飛機(jī)薄壁件和托板之間的定位夾緊關(guān)系簡(jiǎn)化為連續(xù)梁受多個(gè)支承座支承的模型，其中，簡(jiǎn)化后各跨的薄壁件所受重力用均布力qw表示qw = GiZli,其中，Gi表示第i跨的薄壁件重力，Li表示第i跨的長(zhǎng)度； (2)計(jì)算各托板的支持力，在所有中間托板位置將薄壁件截開(kāi)并將托板支承簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支支承，其中，利用下述公式1-ι求解各個(gè)托板位置的彎矩:
式中: Ii表示1-1到i托板間的跨距m; Mi表示i托板截面上的彎矩KN.m ; EL1表示ω i的形心Ci到i支承的距離m ； Oi表示1-Ι到i支承間載荷彎矩圖的面積m2 ； bi+1表示ω i+1的形心ci+1到i+1支承的距離m ； Ei表示1-Ι到i托板間薄壁件材料的彈性模量GPa ； Ii表示1-Ι到i托板間薄壁件簡(jiǎn)化為連續(xù)梁的截面慣性矩； 當(dāng)薄壁件的材料相同時(shí)，各個(gè)跨距段薄壁件的彈性模量Ei相同，則公式1-1變形為:
式中，Ii, Ii, Qi>ai,bi+1(i = 0,1,2,3,…，η)為已知條件，η+1個(gè)托板中有η_1個(gè)中間托板，列出η-1個(gè)方程,加上方程Mtl = O和Mn = 0，求解出η-1個(gè)中間托板所承受的彎矩Mi ； (3)求解出各個(gè)托板的彎矩后，進(jìn)一步利用兩個(gè)托板的受力平衡模型，計(jì)算自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中承載飛機(jī)薄壁件的各個(gè)托板的支持力: F,-? =0.5^,1, + ^^1 (最前端托板 i = O)(公式 1-3)
(4)將薄壁件按照托板位置劃分成相應(yīng)的小區(qū)域，針對(duì)每個(gè)小區(qū)域求解薄壁件變形，其中，每個(gè)小區(qū)域薄壁件受力變形模型簡(jiǎn)化為托板位置薄壁件簡(jiǎn)支支承，薄壁件表面僅受均布載荷的變形計(jì)算，其中: 薄壁件簡(jiǎn)支支承邊界條件滿足:
T11 = O、S = ε 12Eh/2 (1+ μ ) = O、ω = O、M11 = O、M12 = M21 = 0，其中: T11表示中面內(nèi)力； S表示與壁板材料的彈性模量、泊松比及應(yīng)力有關(guān)的數(shù)值； ω表不法向位移；M11表示壁板受到的彎矩； M12和M21表不壁板受:到的扭矩； 薄壁件自由邊界條件滿足:
U1 = O, μ 2 = O, ω = O, M11 = M011 = O, Φ2 = O, 其中: μ!表示沿X方向位移； μ 2表示沿y方向位移； M011表示表示壁板各個(gè)區(qū)域左邊支撐處的彎矩； Φ2表示沿y軸的轉(zhuǎn)角； 建立滿足以上邊界條件的薄壁件變形計(jì)算，設(shè)
其中: F和f為求解過(guò)程假設(shè)的函數(shù)； L表示托板均勻排布時(shí)，相鄰兩個(gè)托板間的距離； 將公式1-6和公式1-7代入薄壁件的靜力方程并將所受載荷展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得到公式1-8和公式1-9:
其中: R表示壁板半徑； μ表示壁板材料泊松比； k。表示12k/h2, h表不壁板厚度；



k表不和壁板尺寸及材料相關(guān)的參數(shù)，等于1-u/2kr ,







K表不和壁板厚度及壁板材料相關(guān)的參數(shù)，等于Eh/1-u2


a表示自動(dòng)鉆鉚機(jī)工作過(guò)程中繞全局坐標(biāo)系X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；β表示自動(dòng)鉆鉚機(jī)工作過(guò)程中繞全局坐標(biāo)系Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；
公式1-8的特解為:
ψ康示微分算子

(公式 1-16)
其中: τ 12表示沿殼中面I方向的扭曲變形； τ 21表示沿殼中面2方向的扭曲變形； D表示和壁板材料參數(shù)相關(guān)的常數(shù)； K ι表示沿殼中面I方向的彎曲變形； K2表示沿殼中面2方向的彎曲變形 Φι表示沿X軸的轉(zhuǎn)角； Φ2表示沿y軸的轉(zhuǎn)角； 薄壁件中面位移U1^ u2、ω、φ 1、φ2:
(公式卜17) (公式 H8) (公式 1-19)
(公式 1-20)
(公式 1-21)
將已經(jīng)計(jì)算出的F1、F2、f分別代入公式1-17到公式1-21并結(jié)合邊界條件計(jì)算出薄壁件中面沿方向的變形量，式中
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104200092SQ201410431457
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】盧鵠, 張開(kāi)富, 李明慧, 李曉閣, 蘭弻, 程暉 申請(qǐng)人:上海飛機(jī)制造有限公司, 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司