面向数字化对接的机翼变形分析研究

面向数字化对接的机翼变形分析研究

宋禹

中航西安飞机工业集团股份有限公司  西安阎良 710000

摘要

飞机具有复杂的形状和大尺寸的结构以及连接器多的特点，在整个过程中，装配工作量约占40%～50%。随着计算机辅助设计和制造技术、计算机技术、自动化和联网技术的发展，数字技术在现代飞机制造中得到广泛应用，进入了数字时代。在此基础上，本文仅分析大型飞机零部件数字对接时的静态变形。当然，固定飞机主要部件对接时还有很多问题需要研究，希望在业界开展更多的技术研究和交流，这将进一步提高我国的航空制造业水平。

关键词：数字化对接；大部件对接；对接变形

前言

装配工作贯穿于飞机制造的全流程中。数化组合的协调是数化大型零件的先决条件。一个大部件的数字对接系统应由一组定位器、一个测量系统和一套集中控制系统组成，根据某些技术要求，用于测量、调整以及支持大型部件的姿态和位置，以便实现大型部件的精确装配。

一、变形分析的目的和意义

由于数字对接系统使用定位器支架构件，支架的形状和位置与经典对接不同，因此变形不同。装配机翼锚固时，工艺人员通常会先进行锚固区的三维理论数字模型与定位点测量的理论数据的对比、分析以及仿真，但实际上，机翼测量的定位点由于其自身在定位器支撑下的重量而发生偏移，因此定位点会相应变形，从而使机翼的定位和调姿变得更加复杂。本文通过理论分析和计算，得到定位点变形数据、锚固轮廓变形数据以及每个支撑点的支撑响应等，在机翼对接时测量支撑状态和重量状态，并提前将变形数据输入至计算机综合控制系统分析实际数据，进行对接仿真找出最佳路径，并在对接过程中调整姿态。同时，通过分析并不断调整各种参数，从而找到测量点的合理布置位置，进而优化支撑位置和支撑平面。

二、对接系统的总体布局

1.分散式对接系统

在应用分布式对接系统时必须使用分布式布局。数控定位器可以根据实际需要进行空间位置布置，定位器可以支撑并向上移动。当定位器连接机翼时，伺服电机驱动定位器可以在支撑过程中应用并沿x、y和z坐标的三个方向移动，协调多个定位器并相互组合分布，实现飞机大部件的支撑和调整。

2.整体托架式对接系统

如果应用整个对接系统，则无法直接连接机翼和定位器。定位器必须通过支架连接飞机零部件，伺服马达驱动托架可用来调整主体的姿势。调整整个支架锚固系统时，其均匀受力，且变形量小，具有良好的产品设计，在生产线运动过程中更方便。

3.安全防护设计

必须保证飞机大型构件锚固系统的强度，以满足定位、合成载荷调整和相关载荷支持的要求。在定位器设计过程中，可以分析和计算设计载荷公差并测试硬件设备承受能力，确保设备的安全性和效率。根据定位器每条运动轴的运动行程，自行设置行程极限数值，当行程达到极限位置时，位置测量器开关自动闭合并产生报警，运动控制系统可以自主检测定位器是否到达准确位置或者电流是否过载，从而确保设备的安全。

三、机翼变形分析研究

1.变形分析状态

（1）支撑形式

依据机翼的几何尺寸、重量以及重心，选择定位器支架的形状和数量。通常情况下，三角翼选取3个支撑点，梯形翼选择4个支撑点。支撑点选择在结构承力最大，刚度、抗力最强的位置。定位器通过工艺接头与机翼相连。

（2）支撑结构

翼面固定器作为翼面支撑构件，要有较高的结构刚度以及强度。定位器由支撑底座、活动部件和接头组成。单个定位器可以在x、y、z三个方向移动，整套定位器可进行三个坐标方向的协调运动，在空间上六个自由度调整机翼姿态并自动定位。

（3）简化边界

创建变形分析模型时，考虑定位器结构刚度会影响计算结果，因此对定位器支座进行简化处理，下刚性支座和中间支座具有较高刚性，机翼质量分布的相对载荷和机翼结构刚度可视为理想刚性，即在创建计算模型时，可以简化忽略两部分结构。固定器支撑球简化为等刚度梁单元，一端通过刚体单元连接到机翼下表面节点，另一端作为计算模型的边界约束节点。

2.变形分析计算

（1）建立有限元模型

按照结构刚度数据创建翼体、支架以及连接区域的有限元模型并创建定位器的数字化模型，以计算变形。在建模时，需要考虑结构的传输特性，将结构分割为有限元网格，并模拟机翼的实际刚度。有限元模型主要包含：

1)中央翼有限元模型；2)外翼截面有限元模型；3)确定前缘有限元模型；4)确定后缘有限元模型；5)支架有限元模型；6)中外机翼对接及支架上部标高连接有限元模型。

（2）翼体质量分布的计算

根据机翼的三维数字模型，每个零件均被分割成具有集中力的单元体，计算单元体重量在有限元网格节点中的分布，然后给定翼体重量、重心以及惯性矩和相应的材料，最后计算机翼的质量分布(无系统重量、前后边缘固定、无活动翼)。

（3）载荷施加

根据静力等效原理，结构质量转化为有限元模型的集中节点，在变形计算模型上施加分布载荷，分析并计算变形量。

（4）变形计算

根据有限元模型和边界条件，主要计算支座、翼子板、梁等的应力和分布，测量锚固点、定位器参考点的偏移量以及翼面、对接接头的变形量。

（5）计算结论

从计算分析可知，在大体积分布载荷作用下，机翼变形小，支撑点的抗力小，机翼结构、支撑结构、支撑点局部区域的支撑连接强度符合要求。利用有限元模拟机翼对接状态的真实边界，得出外翼与中央机翼对接面上各站点的相对位移数据，为定位器的调整、对接过程数字化仿真，实现机翼的数字化对接提供了强有力的数据支撑。

结束语

本文仅分析大型飞机零部件数字对接时的静态变形。当然，电力变形和热变形等问题同样会影响大型飞机部件的对接精度，希望业界开展更多的技术研究和交流，进一步提高我国航空制造业水平。

参考文献

[1]林雪竹,李丽娟,曹国华,等.大部件对接中iGPS高精度位姿测量优化设计[J].航空学报,2015,36(4):1299-1311.

[2]王青,郑飞,任英武,等.基于孔特征约束的飞机部件位姿优化方法[J].计算机集成制造系统,2017,23(2):243-252.

[3]郑博,李丽娟,林雪竹,等.飞机大部件数字化对接仿真技术研究[J].制造业自动化,2017,39(3):163-166.