洪學玲，郭龍江，金曉波，陳浩

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

0 引言

飛機裝配型架是航空產品生產過程中不可缺少的工藝裝備，裝配型架的質量直接影響到產品的質量，而剛度是衡量裝配型架質量的一個重要技術指標。長期以來，裝配型架設計人員從事繁重的設計任務，多數(shù)設計人員僅憑經(jīng)驗選擇骨架的型材尺寸和定位器的大小，由于缺少理論數(shù)據(jù)的支撐，可能會導致局部剛度不足或者過于笨重，經(jīng)驗設計已經(jīng)無法滿足型架設計水平提升的要求。剛度設計成為制約型架優(yōu)化改進和技術提升的瓶頸，如何快速有效地進行裝配型架剛度設計是亟待解決的問題。

本文針對目前型架剛度分析現(xiàn)狀，開發(fā)了一套裝配型架剛度庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成于CATIA設計平臺中，設計人員在設計過程中可進入剛度庫系統(tǒng)，進行實時查詢，快速獲得所需剛度數(shù)據(jù)，從而大大提高了設計與分析效率，為裝配型架設計優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計

裝配型架剛度是保持裝配件空間位置準確度及其穩(wěn)定性的基礎。其剛度主要是由骨架與定位器的剛度決定，骨架與定位器的剛度直接影響了定位精度[4]。本文根據(jù)型架的功能以及剛度需求進行分類，并在用戶需求分析的基礎上，開發(fā)了一套裝配型架剛度庫系統(tǒng)。開發(fā)的庫系統(tǒng)主要分成兩大模塊：骨架模塊和定位器模塊。型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標是輸入一定的約束條件，快速得到變形數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)從功能、信息和數(shù)據(jù)3個方面滿足使用用戶的要求。其總體結構如圖1所示。

圖1 裝配型架剛度庫系統(tǒng)結構圖

1.1 骨架模塊

裝配骨架的數(shù)量和種類很多，本文綜合型架在設計和制造中的分類模式，按功能對骨架進行分類，基于有限元對功能模塊中的各種類型的骨架f(x)(x=1、2、3……n)建立有限元模型、施加載荷和邊界、劃分網(wǎng)格并求解，結果以數(shù)據(jù)和圖形的方式展現(xiàn)。將n種型架的模型和結果文件封裝在骨架庫中，各類庫文件中包含目前裝配中的所有工況。其中某類骨架庫文件如圖2所示。設計人員通過調用不同的功能模塊，根據(jù)工裝實際使用情況選擇工況，快捷選擇所需要的剛度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)建立75個骨架庫文件，庫中的模型和數(shù)據(jù)滿足目前90%的骨架類型，但對于特殊類型的型架骨架，該庫目前無法提供數(shù)據(jù)，需要設計人員單獨進行骨架的建模。骨架庫具有更新功能，管理人員可以增加特殊類型骨架庫文件,不斷完善剛度庫系統(tǒng)。

圖2 某類骨架部分庫文件

1.2 定位器模塊

裝配型架定位器主要分成孔定位器和卡板定位器?？锥ㄎ黄髦饕怯芍尾考投ㄎ槐劢M成，其結構如圖3所示?？锥ㄎ黄鞯闹尾课粍傂詮?，在分析的過程中視為剛性體。定位器主要受到產品的集中力作用。定位器的剛度主要是由定位臂決定。本文根據(jù)梁彎曲撓度方程解析法，推出計算公式，增加工程修正系數(shù)。并針對孔定位器的特點，系統(tǒng)中開發(fā)了孔定位器專用計算模塊，設計人員輸入相應的約束條件，系統(tǒng)自動算出變形結果。卡板定位器為型架的外形定位夾緊件，卡板由卡板主體和卡板端頭組成，結構如圖4所示?？ò逡话愣际窃谏?、下端頭用銷軸連接在叉形結構上，叉頭通過焊接或螺紋聯(lián)接固定在型架的骨架上。在進行卡板的剛度分析時，卡板附件叉頭尺寸相對小，剛度大，建模時對型架的剛度的影響很小，一般不考慮。卡板結構相對規(guī)則，根據(jù)卡板的跨度、寬度，基于有限元軟件建立有限元模型，卡板用殼單元模擬，工況包含目前實際使用各種工況，結果以數(shù)據(jù)和變形圖的形式給出。本文建立了62個卡板庫文件，庫中的模型和數(shù)據(jù)滿足目前85%的卡板類型。但對于特殊類型的卡板，該庫無法提供數(shù)據(jù)，需要設計人員基于有限元軟件建模。卡板庫具有更新功能，管理人員可以增加特殊類型卡板庫文件不斷完善剛度庫系統(tǒng)。

圖3 孔定位器

圖4 卡板定位器

2 建模技術

2.1 有限元技術[2，5]

本文基于有限元技術，對骨架和卡板建立了有限元模結構模型。有限元模型是結構的離散模型，模型中包含了結構的物理特性以及力和位移的邊界條件，是偏微分方程的近似解。在有限元技術中，單元是由節(jié)點構成的，節(jié)點具有幾何屬性和物理屬性。單元的形狀、單元的形函數(shù)、材料特性、邊界條件的確定、求解方法等都和解的精度有關。因此，模型中合理的網(wǎng)格分布、材料特性、節(jié)點或者幾何體上載荷和約束的準確性等都直接影響分析結果的準確性。建立有限元模型，不需要幾何上的極度逼近，而是性能上的真實性以及對物理模型的深入了解。單元位移和單元力之間的關系為

式中：ue為離散節(jié)點的位移矢量；Pe為作用于單元上的外力矢量；kee為單元剛度矩陣。

2.2 定位器模型建立

孔定位器的數(shù)學模型可以簡化為懸臂梁，根據(jù)梁彎曲繞度方程解析法可得到定位器最大的垂直位移：

式中：P為載荷；E為彈性模量；I為定位臂型心矩；l為定位臂的長度。

考慮到剪切項的影響，可以修正為

式中：K為5/6；A為定位臂截面積；G為剪切模量。

3 系統(tǒng)的開發(fā)和應用

3.1 開發(fā)環(huán)境

裝配型架剛度庫系統(tǒng)開發(fā)與運行的環(huán)境：開發(fā)環(huán)境為操作系統(tǒng)Window 7；開發(fā)語言為VISUAL Basic 6.0。

3.2 應用程序設計

在該系統(tǒng)中，應用程序為用戶提供了用戶登錄、數(shù)據(jù)維護、骨架剛度查詢、卡板查詢、孔定位器剛度計算、標準件查詢等功能。本文基于VB語言開發(fā)人機交互界面，將應用程序封裝在界面中，大量的運算過程均在后臺運行，操作界面簡單且符合職業(yè)習慣，便于設計人員操作和管理。裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實質是在一定的輸入條件下一種數(shù)據(jù)的智能化計算與檢索。

1）登錄。進入系統(tǒng)的主窗體運行界面，點擊登錄進入身份驗證模塊，身份分為設計人員與管理人員。設計人員僅能進行查詢計算，管理人員可對數(shù)據(jù)庫進行添加和刪除管理等操作。

2）骨架剛度查詢模塊。該模塊主要實現(xiàn)骨架的剛度查詢功能。將骨架分為n個類別，每一功能類別的骨架中進一步分類，該模塊實現(xiàn)對每一種功能骨架的剛度查詢，點擊不同的功能分類以及類型分類，可查詢具體的剛度數(shù)據(jù)以及變形云圖，結果文件直觀。其中某類翼面類骨架的查詢界面如圖5所示。

圖5 翼面類骨架的查詢界面

3）卡板剛度查詢模塊?？ò宀樵兡K的功能只需要輸入卡板的材料、跨度、寬度，便可以在卡板庫中自動匹配卡板類型，輸出結果文件。

4）孔定位器剛度計算模塊?？锥ㄎ黄鲃偠扔嬎隳K主要實現(xiàn)孔定位器剛度的自動計算，設計人員只需要輸入定位器的材料、受力大小、定位器懸臂的長度，以及型材規(guī)格尺寸，通過計算程序，自動獲取定位器的變形數(shù)據(jù)。其中某類孔定位器計算界面如圖6所示。

圖6 孔定位器計算界面

5）標準件查詢模塊。該模塊實現(xiàn)功能為現(xiàn)有標準件數(shù)據(jù)的保存和管理，標準件包含了行業(yè)標準和企業(yè)標準。企業(yè)標準不斷更新，該模塊相應增加了標準件庫的管理與更新功能。

6）系統(tǒng)的維護和管理。對系統(tǒng)中存儲的信息進行更新，維護系統(tǒng)的完整性，并能對系統(tǒng)進行還原，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性。

3.3 接口程序

為了滿足裝配型架剛度庫系統(tǒng)在型架設計人員中的廣泛應用，需要將開發(fā)的系統(tǒng)與CATIA集成，用戶通過應用界面實現(xiàn)CATIA環(huán)境下與剛度庫系統(tǒng)的交互。在CATIA中建立裝配型架剛度庫系統(tǒng)的啟動工具條，具體的內容如下：

當CATIA打開后，可通過設計界面中的工具條，設計人員在設計過程中直接調用裝配型架剛度庫系統(tǒng)，快速進入開發(fā)系統(tǒng)，獲得設計所需數(shù)據(jù)。

3.4 應用

本文以多套不同功能的裝配型架為例，對開發(fā)系統(tǒng)進行了實際應用。在初步方案設計階段以及詳細設計階段，型架設計人員基于CATIA平臺，點擊工具條進入裝配型架剛度庫系統(tǒng)，針對有剛度要求的骨架或者精度要求高的定位器，在設計過程中進行剛度分析。通過人機交互界面進入不同模塊進行查詢或者計算，得到相應設計的剛度數(shù)據(jù)。剛度數(shù)據(jù)使得設計人員獲得對型架總體變形直觀理性的認識。對出現(xiàn)的局部剛度不足或者過于笨重、不合理的尺寸重新輸入設計值，最終選擇最合理的設計尺寸。其應用流程如圖7所示。

圖7 裝配型架剛度庫系統(tǒng)應用流程

通過對開發(fā)的型架剛度庫系統(tǒng)的應用，該系統(tǒng)能夠滿足剛度分析的要求，取得了顯著效果，設計人員在設計過程中完成了優(yōu)化改進設計，大大降低了成本，提高了效率，具有重要應用價值。

4 結語

本文針對目前裝配型架剛度分析技術以及設計優(yōu)化的需要，根據(jù)型架在設計和制造中的分類模式，并結合技術現(xiàn)狀以及生產實際，基于VB開發(fā)了一套裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成于設計平臺CATIA中，實現(xiàn)了與設計系統(tǒng)的無縫連接。系統(tǒng)結構清晰，具有時效性、可靠性與實用性。裝配型架剛度數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)解決了設計人員憑經(jīng)驗選擇型材而導致設計不合理和設計質量低的問題，規(guī)范了設計手段，為結構的優(yōu)化提供了理論的支撐，提高了設計質量和企業(yè)的競爭力，具有重要的實際意義。