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面向数字化对接的机翼变形分析研究 |
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作者：北京航空制造工程研究所 王姮 许国康 |
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现代飞机结构具有尺寸大、形状复杂、连接件数量多的特点，装配的工作量约占整个飞机制造工作量的40％～50％[1]。为实现飞机的快速研制和生产，可采用大部件自动对接技术来提高飞机装配质量和生产效率，降低制造成本，缩短制造周期，满足现代飞机研制和生产的需求。
随着计算机辅助设计/制造技术、计算机信息技术、自动化技术和网络技术的发展，数字化技术在现代飞机制造中得到了广泛的应用，飞机制造进入了数字化的时代[2]。在数字化技术的推动下，飞机装配技术发展迅速，形成了现代飞机的数字化柔性装配模式[3]：具体表现为数字化自动对接系统、数字化装配系统和数字化连接技术等。数字化自动对接系统主要由计算机控制的自动化定位器、激光测量系统（激光跟踪仪、激光雷达或iGPS系统）和控制系统组成，采用数字化的对接平台系统可大幅提高机体装配质量，并且能够适应不同尺寸的机身机翼结构，通用性强，节省大量装配工装。而传统工装通用性差、成本高，很难满足现代飞机的装配质量和精度要求。国外航空发达国家已将数字化和自动化对接技术广泛地应用于飞机的大部件对接中，我国航空工业在这方面的技术研究起步较晚，目前还处于初步应用阶段。
飞机大部件对接装配的数字化和自动化可以有效地降低部件对接误差，提高飞机大部件对接装配精度和效率，是飞机大部件装配的发展趋势[4]。数字化对接装配中较复杂的是机翼对接装配，因机翼对接区域形状比较复杂，连接件数量多，而且变形较为严重。如何对机翼对接时的变形进行分析计算与控制成了能否高质量完成数字化机翼对接的关键技术之一。
在机翼数字化和自动化对接技术的研究中，机翼各对接状态下的变形分析是主要研究工作之一，本文着重论述了变形分析计算的目的和意义、分析思路和分析方法等，以供其他类似设计和分析参考。
变形分析的目的和意义
由于数字化对接系统采用定位器对部件进行支撑定位，支撑形式和支撑位置与传统对接不同，因此变形量也不同。在进行机翼对接装配时，设计人员首先要按对接区域的三维理论数模和测量定位点的理论数据进行工艺分析计算和对接模拟仿真，而实际上机翼测量定位点在定位器支撑状态下由于自重作用会产生一定的位移，对接面也会发生相应的变形，从而给定位调姿带来困难。通过理论分析与计算得到机翼对接过程中支持状态和重量状态下，测量定位点的变形数据、对接型面处的变形数据、各支持点的支持反力等，把这些变形数据事先值入计算机集成控制系统中，进行比较真实的数据分析和对接模拟仿真，找出对接过程中的最佳路径和调整位姿。同时通过各种分析数据检查工装设计，通过各参数的调整分析寻找合理的测量点布置位置，优化出更佳的支撑位置和支撑方案。
变形分析思路
根据机翼数字化对接技术要求和工艺要求，制定出如下分析思路：
（1）根据对接过程确定分析状态；
（2）根据工装设计要求确定对接型面和测量点；
（3）根据分析需求确定结构有限元分析方法。
机翼变形分析计算的主要工作有：机翼变形计算状态分析、机翼质量分布计算、机翼各部件有限元建模、载荷施加、边界条件模拟、变形计算以及变形结果分析等。主要完成以下几个方面的计算及分析：
（1）机翼在自重下的变形云图及位移数值；
（2）机翼在自重下的应力分布及应力峰值；
（3）机翼各测量定位点的坐标变化值；
（4）定位器支持的支撑反力。
变形分析状态
机翼一般由中央翼和左右外翼组成，外翼又分为前缘缝翼、外翼盒段、后缘襟翼、扰流板和副翼等。同时机翼里又安装有燃油系统、操纵系统、液压系统及环控系统等。根据机翼对接时的实际构型计算出机翼水平测量点和机翼对接区域的变形量，从而为机翼对接时的姿态分析提供理论依据，为对接装配工艺设计提供参考。
1 支撑形式
根据机翼的平面几何形状、尺寸大小、重量和重心等，选取定位器的支撑形式和支撑数量，三角形机翼一般采用3 点支撑，梯形机翼则采用4点支撑。支撑点选在机翼结构受力最强、刚度最大，受力最稳定的部位，如前后梁与加强肋的交点处。定位器与机翼通过工艺接头进行连接。
2 支撑结构
机翼通过定位器进行支持，定位器作为支撑机翼的部件，应该具有足够的结构强度和刚度。定位器由底座、运动组件和连接接头等组成。每个定位器可进行X、Y、Z3个方向的直线运动，整套定位器可实现3个坐标方向的协同运动，可对机翼进行空间六自由度调姿，自动化定位。
3 支持边界简化
变形分析计算模型建立时，根据定位器对机翼结构的支持特点和功能，同时考虑定位器结构刚度对变形计算的影响，对定位器支撑结构作了如下简化处理：底部刚性支座和中间的支柱刚度足够大，相对机翼质量分布载荷和机翼结构刚度可以近似看成理想刚性支撑，因此，在变形分析计算模型建立时，忽略这两部分结构；定位器支撑球头结构简化成等刚度的空间梁元，一端用刚体元与机翼下表面附近的节点连接，模拟连接面板与机翼的连接，另一端作为计算模型的边界约束节点，通过节点自由度约束来模拟球头支座的支持。
变形分析计算
1 建立有限元模型
根据机翼结构的刚度数据和定位器结构数模，建立变形计算用的机翼本体、支撑托架及相关连接区域的有限元模型。建模时要考虑结构传力特性，对结构进行有限元网格划分，模拟真实的机翼刚度。主要包括以下6个部分：
（1） 中央翼本体有限元模型；
（2） 外翼盒段有限元模型；
（3） 固定前缘有限元模型；
（4） 固定后缘有限元模型；
（5） 支撑托架有限元模型；
（6） 中外翼对接以及连接和支撑托架顶起有限元模型。
机翼有限元模型见图1。
图1 机翼有限元模型
2 机翼质量分布计算
根据机翼的三维数模，用平面切割的方法把每个零件划分成若干个小块（边长小于0.5m，重量小于5kg）, 每个小块就是一个小的集中力，再把这些小块的重量分到有限元网格的节点上，从而计算出每个节点处的重量、重心、惯性矩和惯性积，具体如下：
（1） 中央翼机体结构和支撑托架的质量分布；
（2） 外翼（不带系统重量，带固定前后缘，不带襟翼、副翼等活动翼面）和相应支撑托架的质量分布；
（3） 机翼（不带系统重量，带固定前后缘，不带襟翼、副翼等活动翼面）和相应支撑托架的质量分布；
（4） 机翼（带系统重量，带固定前后缘，不带襟翼、副翼等活动翼面）和相应支撑托架的质量分布。
机翼质量分布见图2。
图2 机翼质量分布
3 载荷施加
变形分析计算的载荷为机翼的质量分布载荷。按照静力等效的原则，将结构质量处理成有限元模型节点上的集中力，以分布载荷的形式施加到变形计算模型上进行变形分析计算。机翼载荷施加示意图见图3。
图3 机翼载荷施加束示意图
4 边界约束
模拟支撑球头与支座的连接形式，对支撑球头点进行3个方向的线位移约束。变形计算模型的约束示意图见图4。
图4 模型约束示意图
5 变形计算
依据有限元模型和边界条件，利用MSC/NASTRAN有限元分析软件进行机翼变形计算。主要计算出支撑反力、机翼壁板/翼梁/翼肋等处的应力大小及分布、测量定位点/定位器支持点处的位移、机翼和对接面的变形云图等。图5所示为机翼壁板应力云图，图6所示为机翼变形图。
6 计算结论
通过计算分析得知，质量分布载荷作用下，机翼变形比较小。定位器支撑点反力较小，支撑点局部区域机翼结构、支撑结构以及支撑连接强度满足要求。
图6 机翼变形图
通过有限元模拟机翼对接状态的真实边界，分析得出外翼和中央翼对接面各站位点的相对位移，作为定位器调整的依据，进行对接过程数字化仿真，实现机翼数字化对接。
结束语
本文仅对飞机大部件数字化对接过程中的静态变形进行了分析研究，当然在飞机大部件对接过程中还存在许多动态变形、热变形等问题需要研究，希望业内开展更多的技术研究和交流，以便使我国航空制造水平得到进一步提升。
参 考 文 献
[1] 李原.大飞机部件数字化柔性装配若干关键技术.航空制造技术，2009(14):48-51.
[2] 范玉青.现代飞机制造技术.北京:北京航空航天大学出版社，2001.
[3] 郭恩明.国外飞机柔性装配技术.航空制造技术，2005(9):28-32.
[4] 许国康.飞机大部件数字化对接技术.航空制造技术，2009(24):42-45。(end)
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(2/8/2012) |
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