【】本發(fā)明涉及航空復(fù)材結(jié)構(gòu)裝配工程質(zhì)量控制，尤其涉及一種航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

0、
背景技術(shù)：

1、在航空復(fù)材大尺寸弱剛性結(jié)構(gòu)件與部件的裝配場景中，即便微小的尺寸偏差、形位誤差或因材料特性和制造過程引起的表面翹曲變形，都可能導(dǎo)致部件間無法自然精準配合。此時，就需要借助外部壓緊力力量介入，促使部件發(fā)生必要的位移或形變調(diào)整，以確保最終裝配體不僅在幾何尺寸上符合設(shè)計規(guī)格，而且還需在物理性能上滿足高強度、輕量化及耐用性的高標準要求。通過強迫裝配外力的施加，消除復(fù)材薄壁部件組成零件間的配合間隙、糾正偏差，強制性地完成精準定位與裝夾任務(wù)，這一技術(shù)的應(yīng)用對于保證飛行器的氣動外形、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性是不可或缺的。

2、但是在強迫裝配過程中，過大的裝配力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)之間存在裝配內(nèi)應(yīng)力，增加復(fù)合材料損傷或破壞的風險，影響裝配結(jié)構(gòu)的力學(xué)服役性能；而裝配力過小則可能無法達到預(yù)期的裝配緊密度，無法消除結(jié)構(gòu)件之間的配合間隙，影響結(jié)構(gòu)的整體氣動外形性能。因此，如何準確設(shè)定裝配力限值，研發(fā)一種科學(xué)合理的裝配力限值設(shè)定技術(shù)，對于保障薄壁結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量，提升裝配效率，以及維護飛行器長期運行的安全性至關(guān)重要。由于在各向異性復(fù)材件的裝配質(zhì)量形成機理研究中存在較大困難，缺乏科學(xué)的建模設(shè)計，國內(nèi)對于裝配力限值方法的研究較少，對于裝配力限值的實際應(yīng)用，缺乏面向現(xiàn)場應(yīng)用強迫裝夾力標準規(guī)范，大多數(shù)企業(yè)多憑手感進行強迫裝夾力的施加操作，只有極少數(shù)企業(yè)參考了國外規(guī)范指導(dǎo)實際操作，如波音公司復(fù)合材料零件裝配壓緊力限值為45磅/英尺、國內(nèi)主機廠設(shè)定為45n/300mm或50n/300mm，而國外對于該方面的具體工藝和方法研究由于保密并未公布。

3、在此背景下，本技術(shù)應(yīng)運而生，旨在通過深入研究復(fù)合材料力學(xué)性能、強迫裝配工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)幾何及力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系，開發(fā)出一套適用于航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配的力限值設(shè)定方法與系統(tǒng)，以實現(xiàn)裝配過程中夾緊力的精準控制，避免裝配過程中的幾何外形超差、內(nèi)應(yīng)力過大與結(jié)構(gòu)損傷等現(xiàn)象，確保薄壁結(jié)構(gòu)的裝配既高效又安全，滿足現(xiàn)代航空工業(yè)的高標準要求。

4、因此，有必要研究一種航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定方法及系統(tǒng)來應(yīng)對現(xiàn)有技術(shù)的不足，以解決或減輕上述一個或多個問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

0、
技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定方法及系統(tǒng)，本發(fā)明分析強迫裝配力對航空復(fù)材薄壁內(nèi)部損傷與裝配應(yīng)力的影響，由于航空復(fù)材薄壁件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和材料特性，在裝配過程中容易發(fā)生變形，影響最終產(chǎn)品的性能和安全性，且薄壁件在裝配時若受力不當，可能會因過大的裝配內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷或破壞，復(fù)材成本高昂，合理控制裝配力可以避免材料損壞，最大化材料使用效率。綜合考慮損傷、間隙、裝配力施加空間等因素，提供了強迫裝配力限值合理設(shè)定的可行方法，解決裝配力限值設(shè)定困難、效率低的問題。

2、一方面，本發(fā)明提供一種航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定方法，所述航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定方法包括以下步驟：

3、s1：采用試驗結(jié)合有限元的方法，對比修正有限元仿真模型與參數(shù)，獲取裝配力對復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝配應(yīng)力以及損傷的影響規(guī)律；

4、s2：采用參數(shù)化建模的方式對影響規(guī)律進行表達，并將裝配幾何與物理性能指標協(xié)同考慮，對復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力參數(shù)進行多目標優(yōu)化，獲取復(fù)材薄壁裝配力限值數(shù)學(xué)模型；

5、s3：用智能優(yōu)化算法求解復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)裝配力限值數(shù)學(xué)模型，獲取裝配幾何與物理性能協(xié)同保障下的強迫裝配力限值設(shè)定區(qū)間；

6、s4：采用試驗結(jié)合仿真結(jié)果參數(shù)化建模的方式評價裝配力限值設(shè)定的有效性，并將強迫裝配幾何與物理性能結(jié)果進行可視化展示。

7、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s1具體包括：

8、s11：在柔性壓緊單元的關(guān)鍵部位安裝六維力傳感器，實時記錄并監(jiān)測強迫裝配過程中裝夾力的變化情況；

9、s12：通過結(jié)合太赫茲、dic與超聲測量技術(shù)相結(jié)合的手段，三者協(xié)同工作，對復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)在強迫裝配過程中的應(yīng)力和損傷狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測與精準評估；

10、s13：按照實際的裝配工藝過程，獲取強迫裝配力大小變化對復(fù)材薄壁內(nèi)部裝配應(yīng)力分布與損傷程度的響應(yīng)數(shù)值；

11、s14：按照實際操作過程建立有限元模型，進行有限元仿真分析驗證，將試驗得到的結(jié)果數(shù)據(jù)對有限元仿真模型與仿真參數(shù)進行比對修正；

12、s15：系統(tǒng)地調(diào)整裝配力大小，采用有限元仿真快速準確地獲得裝夾力對裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，分析復(fù)材壁板結(jié)構(gòu)件的裝配型面精度、內(nèi)部應(yīng)力與損傷分布情況結(jié)果，獲取裝配力對復(fù)材薄壁內(nèi)部損傷以及裝配應(yīng)力的影響規(guī)律。

13、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s13具體為：設(shè)計航空復(fù)材薄壁裝配試驗，通過控制變量法，按規(guī)律逐步調(diào)整作用于航空復(fù)材薄壁表面的裝配力大小，并實時記錄復(fù)材薄壁內(nèi)部裝配應(yīng)力與損傷狀態(tài)隨表面施加的裝配力的變化規(guī)律。

14、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s15中影響規(guī)律為裝配力對航空復(fù)材薄壁內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的影響機制以及宏觀內(nèi)應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

15、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s2具體包括：

16、s21：對經(jīng)過試驗驗證的有限元得到的強迫裝配力與航空復(fù)材薄壁應(yīng)力、損傷之間的影響規(guī)律進行參數(shù)化處理，獲取給定裝配工藝方案下強迫裝配力與裝配質(zhì)量效果的輸入與輸出對應(yīng)表格關(guān)系；

17、s22：將裝配幾何與物理性能指標協(xié)同考慮，定義優(yōu)化設(shè)計變量，包括強迫裝配力的施加位置坐標和強迫裝配力限值區(qū)間大??；設(shè)置約束條件：強迫裝配力施加在有效空間范圍、以及不允許航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷；設(shè)置目標變量：以優(yōu)化調(diào)整強迫裝配力的大小使航空復(fù)材薄壁內(nèi)應(yīng)力與損傷最小化，同時零件間的幾何配合間隙高度最小為目標；

18、s23：基于工程要求，對復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力參數(shù)開展多目標優(yōu)化，構(gòu)建復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)裝配力限值數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。

19、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s3具體包括：

20、s31：采用多目標智能優(yōu)化算法，創(chuàng)建一個初始種群，該種群由多個不同的裝配力限值方案組成，通過適應(yīng)度函數(shù)對每個方案評價優(yōu)劣度；

21、s32：基于適應(yīng)度函數(shù)的優(yōu)劣度評價結(jié)果，混合優(yōu)質(zhì)特征創(chuàng)造出更佳裝配力限值方案，隨機改變新種群中一部分個體的部分特征，保持種群的多樣性，防止過早陷入局部最優(yōu)；

22、s3：重復(fù)遺傳操作步驟，不斷生成裝配力限值方案，直到找到優(yōu)于其他方案的裝配力限值設(shè)計，或者達到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)上限為止。

23、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s31中適應(yīng)度函數(shù)對每個方案評價優(yōu)劣度具體為：通過航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力、損傷程度和貼合面幾何間隙厚度的適應(yīng)度函數(shù)為每種裝配力限值方案賦予一個適應(yīng)度分數(shù)，量化方案的性能優(yōu)劣。

24、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s4具體包括：

25、s41：基于所求出的裝配力限值范圍以及空間位置，按規(guī)律每隔一段距離選定一系列定位點進行裝配力限值驗證試驗；

26、s42：基于所求裝配力限值范圍以及空間位置，將優(yōu)化后的裝配力限值方案應(yīng)用到基于內(nèi)聚力單元的有限元模型上進行快速參數(shù)化驗證；

27、s43：調(diào)用有限元模型模擬復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)件之間的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，直觀地可視化展示裝配幾何間隙消減情況及可能出現(xiàn)的裝配損傷形式；

28、s44：對比分析仿真預(yù)測模擬與實測數(shù)據(jù)，驗證模型的可靠性及裝配力限值的合理性。

29、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種實現(xiàn)方式，所述s44具體為：若模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合度高于預(yù)設(shè)閾值，則表明裝配幾何與物理性能結(jié)果的模擬過程準確，若得到兩者的結(jié)果小于預(yù)設(shè)閾值，則返回重新s41。

30、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進一步提供一種航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定系統(tǒng)，所述航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力限值設(shè)定系統(tǒng)包括：

31、影響規(guī)律獲取模塊，用于通過試驗結(jié)果修正有限元仿真模型與參數(shù)的方式獲取強迫裝配力對復(fù)材薄壁內(nèi)部損傷以及裝配應(yīng)力狀態(tài)的影響規(guī)律；

32、模型建立及優(yōu)化模塊，用于基于影響規(guī)律對復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)強迫裝配力參數(shù)化表達建模及多目標優(yōu)化，并將裝配幾何與物理性能指標協(xié)同考慮，獲取復(fù)材薄壁裝配力限值數(shù)學(xué)模型；

33、模型求解模塊，用于基于智能優(yōu)化算法對復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)裝配力限值數(shù)學(xué)模型求解，獲取裝配力限值設(shè)定區(qū)間；

34、可視化及評價模塊，用于直觀地可視化展示裝配幾何間隙消減情況及可能出現(xiàn)的裝配損傷形式，并采用試驗結(jié)合有限元仿真的方式評價裝配力限值設(shè)定的有效性。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以獲得包括以下技術(shù)效果：

36、1)利用試驗數(shù)據(jù)、理論計算數(shù)據(jù)驗證并修正有限元仿真模型的方法，可準確獲取強迫裝配力對航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝配應(yīng)力與損傷的影響規(guī)律。

37、2)對經(jīng)過試驗驗證的有限元得到的強迫裝配力與航空復(fù)材薄壁應(yīng)力、損傷之間的影響規(guī)律進行參數(shù)化建模處理，可快速地建立映射關(guān)系模型；并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化以強迫裝配力能夠施加的有效空間范圍與航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)允許承受的損傷閾值為約束，調(diào)整強迫裝配力的大小使航空復(fù)材薄壁結(jié)構(gòu)裝配損傷最小化，同時間隙厚度最小，構(gòu)建強迫裝配力、間隙厚度、損傷之間關(guān)系的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。

38、3)通過多目標的優(yōu)化求解，得到在間隙厚度最小、損傷程度最小、強迫裝配力空間坐標施加在有效空間范圍內(nèi)條件的約束下，裝配力限值的最大值和最小值，從而確認裝配幾何精度與裝配物理性能指標兩者協(xié)同下的裝配力限值范圍。

39、4)采用有限元仿真與實際測量相結(jié)合的方式對強迫裝配力-應(yīng)力/損傷關(guān)系進行檢驗與可視化展示，確定在保證裝配質(zhì)量的同時，強迫裝配力限值設(shè)定的合理性。

40、當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有技術(shù)效果。