【摘要】：超大薄壁曲面結(jié)構(gòu)作為新一代運載火箭等航天產(chǎn)品骨架,其制造裝配中的尺寸精度控制正面臨嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于曲面薄壁結(jié)構(gòu)大柔性和幾何非線性特點,裝配過程中夾具定位方案的不同將導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛度變化,進而影響結(jié)構(gòu)裝配偏差;當(dāng)結(jié)構(gòu)尺度增大至一定程度后裝夾約束對剛度影響更大,導(dǎo)致裝配偏差與裝夾約束之間的關(guān)系更為復(fù)雜。目前超大薄壁結(jié)構(gòu)裝配中的裝夾方案選取缺乏相關(guān)理論方法,主要依靠反復(fù)調(diào)試、修配保證精度要求,裝夾方案的高效、高質(zhì)量設(shè)計對裝配精度和效率的提高至關(guān)重要。因此,建立考慮裝夾約束影響的超大薄壁曲面結(jié)構(gòu)柔性裝配偏差計算模型,揭示裝夾約束與超大薄壁曲面結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,基于此建立裝夾方案優(yōu)化模型,實現(xiàn)超大薄壁曲面結(jié)構(gòu)裝配過程中裝夾方案的優(yōu)選,對航天超大薄壁曲面結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量保證和生產(chǎn)效率提高十分重要。本文同時考慮裝夾約束和零件偏差,建立不同裝夾方案的曲面薄壁結(jié)構(gòu)偏差描述模型;基于絕對節(jié)點坐標(biāo)法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)構(gòu)造曲面單元模型實現(xiàn)偏差精確計算;建立裝配變形協(xié)調(diào)計算模型,研究裝夾約束對結(jié)構(gòu)裝配偏差的影響規(guī)律;基于應(yīng)變能建立曲面薄壁結(jié)構(gòu)裝夾方案評價模型,結(jié)合粒子群算法和有限元方法建立裝夾優(yōu)化模型,為不同幾何構(gòu)型、尺寸及初始偏差曲面薄壁結(jié)構(gòu)實際裝配應(yīng)用中的裝夾優(yōu)化提供指導(dǎo),對其裝配精度提高具有重要意義。主要研究內(nèi)容如下:(1)考慮裝夾約束影響的曲面薄壁結(jié)構(gòu)裝配偏差計算模型由結(jié)構(gòu)裝配過程得到偏差主要影響因素,根據(jù)確定性定位原理和實際工程經(jīng)驗確立薄壁結(jié)構(gòu)典型裝夾方案,考慮裝夾約束和零件偏差建立不同裝夾方案的曲面薄壁結(jié)構(gòu)偏差描述模型;基于絕對節(jié)點坐標(biāo)法和連續(xù)介質(zhì)理論構(gòu)造曲面單元模型精確描述曲面薄壁結(jié)構(gòu)變形;在絕對節(jié)點坐標(biāo)法體系下推導(dǎo)系統(tǒng)約束方程和靜力學(xué)平衡方程,計算偏差零件校形后的內(nèi)應(yīng)力并建立裝配變形協(xié)調(diào)計算模型,通過數(shù)值迭代方法實現(xiàn)裝配偏差的高效求解。(2)裝夾約束對曲面薄壁結(jié)構(gòu)裝配偏差的影響研究對不同裝夾約束結(jié)構(gòu)進行裝配變形協(xié)調(diào)仿真計算,分析了裝夾約束條件以及零件初始偏差、幾何尺寸和構(gòu)型對其裝配質(zhì)量的影響。采用整邊約束方案裝配后偏差較大,且偏差在不同幾何參數(shù)下的非線性變化趨勢更明顯;不同的約束變化方向?qū)ρb配質(zhì)量的影響程度不同。初始偏差形式影響裝配質(zhì)量對裝夾方案的敏感程度;初始偏差量和幾何尺寸影響裝配偏差的變化速率;結(jié)構(gòu)直徑、寬度和開口角度對偏差的影響程度不同,在臨界值處偏差增長呈現(xiàn)突躍。半球殼結(jié)構(gòu)裝配偏差小于圓柱殼結(jié)構(gòu),且偏差受約束位置改變的影響較大,而初始偏差量和幾何尺寸對其偏差的非線性影響弱于圓柱殼結(jié)構(gòu)。(3)基于應(yīng)變能最小的曲面薄壁結(jié)構(gòu)裝夾方案優(yōu)化設(shè)計以應(yīng)變能為優(yōu)化目標(biāo),結(jié)合粒子群優(yōu)化算法與有限元方法建立曲面薄壁結(jié)構(gòu)裝夾布局優(yōu)化模型;基于優(yōu)化后的方案進行裝配偏差分析,驗證了優(yōu)化模型的有效性;分析了結(jié)構(gòu)尺寸增大對曲面薄壁結(jié)構(gòu)裝夾方案選取的影響。結(jié)構(gòu)的最佳約束點個數(shù)隨尺寸增大而增多,同時優(yōu)化方案對結(jié)構(gòu)應(yīng)變能的減小作用減弱;當(dāng)薄壁結(jié)構(gòu)直徑達到10m,優(yōu)化方案不再能夠顯著降低零件最大變形,但其整體變形情況明顯改善。
【圖文】：

能夠?qū)⒕哂谐跏计畹牧慵Ｐ蔚綐?biāo)準(zhǔn)位置； 薄壁零件在同一工位上的裝配被認為是連續(xù)進行的，即在裝配過程未出具松開狀態(tài)；并且整個裝配過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，忽略構(gòu)件的速度及加速.3 不同裝夾方案的偏差描述模型航天超大薄壁曲面結(jié)構(gòu)主要包含兩種不同幾何構(gòu)型，即圓柱殼結(jié)構(gòu)和半，如圖 2-5 所示。此類結(jié)構(gòu)直徑達數(shù)米至數(shù)十米，而厚度僅為 2~5 毫米生產(chǎn)加工及運輸過程中受力極易產(chǎn)生柔性變形，是裝配過程中零件偏差源。由于自身幾何特征及裝配特點，曲面薄壁結(jié)構(gòu)主要具有以下幾種偏彎曲偏差，，扭轉(zhuǎn)偏差及二者的耦合模式，而不同的偏差模式將對裝配偏同影響。一方面，零件偏差導(dǎo)致其裝配連接點產(chǎn)生偏離其理論連接位置差，引起夾具產(chǎn)生克服該幾何誤差所需的裝配校形力，進而影響零件的；另一方面，由于初始偏差的存在，零件在不同方案下進行裝夾時在夾態(tài)發(fā)生變化，引起裝配過程中校形力及零件內(nèi)應(yīng)力的變化，進而影響裝差分布。因此，基于 2.1.2 節(jié)定義的兩種薄壁結(jié)構(gòu)裝夾方案對圓柱殼和種曲面薄壁結(jié)構(gòu)的典型偏差模式進行闡述，并定義偏差的定量分析參數(shù)

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文2.2.2 非規(guī)則曲面板單元模型利用三維全參矩形板單元對圓柱殼體結(jié)構(gòu)進行離散，單元可準(zhǔn)確的描述其幾何特征。然而，當(dāng)利用該矩形單元對更為復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)進行離散時存在局限性如圖 2-12 所示為采用矩形板單元離散的四分之一半球殼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)球殼的一部分，上底和下底均為標(biāo)準(zhǔn)圓形。當(dāng)利用矩形板單元進行結(jié)構(gòu)構(gòu)型描述時結(jié)構(gòu)的下底仍保持為標(biāo)準(zhǔn)圓形而上底發(fā)生明顯的畸變。圖 2-13 所示為該結(jié)構(gòu)在X-Y 平面上的投影。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH161.7

【參考文獻】

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1 韓義;李清潮;;焊接工裝夾具的應(yīng)用與研究[J];科技創(chuàng)新與應(yīng)用;2015年20期

2 周玲華;余德忠;徐向~

本文編號：2665473