一种飞机薄壁件自动钻铆多姿态变形建模方法
【专利摘要】公开了一种飞机薄壁件自动钻铆多姿态变形建模方法。该方法包括步骤：将飞机薄壁件和托板之间的定位夹紧关系简化为连续梁受多个支承座支承的模型；计算各托板的支持力，在所有中间托板位置将薄壁件截开并将托板支承简化为简支支承；求解出各个托板的弯矩后，进一步利用两个托板的受力平衡模型，计算自动钻铆过程中承载飞机薄壁件的各个托板的支持力；将薄壁件按照托板位置划分成相应的小区域，针对每个小区域求解薄壁件变形，其中，每个小区域薄壁件受力变形模型简化为托板位置薄壁件简支支承，薄壁件表面仅受均布载荷的变形计算；最后计算出薄壁件中面沿方向的变形量。
【专利说明】一种飞机薄壁件自动钻铆多姿态变形建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞机薄壁件自动钻铆变形建模方法，主要是针对飞机薄壁件在自动钻铆过程中多个姿态下求解薄壁件变形的建模方法。
【背景技术】
[0002]自动钻铆技术是目前飞机装配线上的先进技术之一，可以实现飞机薄壁件的自动钻铆。自动钻铆系统主要由自动钻铆机和相配的托架组成。自动钻铆过程中要求钻头或铆钉与钻铆点的法线重合，因此需要计算托架和薄壁件的变形量并进行相应的补偿。自动钻铆系统中围框质量大且跨度较长，造成飞机薄壁件在还没有上架之前就因自重而产生较大的变形挠度，给钻铆点的法向找寻带来一定的困难。同时，由于托板的数量及分布间距受钻铆空间和钻铆效益的限制，相邻托板之间必须存在一定的间距。实际钻铆过程中飞机壁板多为大型薄壁件，薄壁件安装在托板上会因为自重而造成相应的变形，同时自动钻铆过程中托架的多自由度转动让薄壁件的变形也具有了动态多样性。
[0003]目前，较多的研究主要集中在自动钻铆系统中托架围框的截面优化、托架自重在自动钻铆状态下的变形量计算及补偿方面。文献“自动钻铆托架围框横梁的优化设计”(《机械制造》，2010年08期)对自动钻铆托架的围框横梁进行了优化设计，使托架在满足刚度和强度的要求下，尽可能轻巧，为设计、制造围框提供了较好的依据。文献“基于CATIA V5的自动钻铆机托架变形研究”(《航空制造技术》，2008年16期)，研发了基于CATIA V5的托架变形补偿技术及变形模拟系统，进一步研究了托架变形。目前，对于薄壁件上架定位、夹紧后因自重引起的变形研究较少，给自动钻铆系统的钻铆精度带来一定的影响。
【发明内容】
[0004]为了计算薄壁件上架定位夹紧后因自重引起的变形量并验证托板布局的合理性，本发明公开了一种飞机薄壁件自动钻铆多姿态变形建模方法。该方法包括如下步骤:
[0005]I)将托板支撑壁板简化为连续梁受多个支承座支承的模型，计算各托板的支撑力和弯矩；
[0006]2)利用各个托板位置确定的边界条件，结合壳体理论计算壁板的变形量。
[0007]本发明的有益效果是:利用理论模型求解飞机薄壁件在自动钻铆系统中定位、夹紧后各个托板的受力。为托板的强度设计、数目以及在托架上的分布提供一定的依据。同时，计算托板间距已知的情况下薄壁件的变形量，通过控制最大的变形量来进一步验证托板数量和分布是否合理。
[0008]下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为根据本发明的【具体实施方式】的自动钻铆系统示意图；
[0010]图2为根据本发明的【具体实施方式】的自动钻铆系统简化示意图；
[0011]图3为根据本发明的【具体实施方式】的薄壁件上架后薄壁件与托板相对位置及薄壁件分区图；
[0012]图4为根据本发明的【具体实施方式】的薄壁件与托板简化模型图；
[0013]图5为根据本发明的【具体实施方式】的中间托板及相邻两跨薄壁件受力图；
[0014]图6为根据本发明的【具体实施方式】的中壁板分区及受力图；以及
[0015]图7为根据本发明的【具体实施方式】的飞机薄壁件的变形量建模方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0016]在以下的实施方式的详细描述中，参照构成该描述的一部分的附图进行说明。附图以示例的方式展示出特定的实施方式，本发明被实现在这些实施方式中。所示出的实施方式不是为了穷尽根据本发明的所有实施方式。可以理解，其他的实施方式可以被利用，结构性或逻辑性的改变能够在不脱离本发明的范围的前提下被做出。
[0017]为了研究薄壁件上架后在自动钻铆系统多个姿态下的变形，本发明提供了一种飞机薄壁件自动钻铆多姿态变形建模方法。前提假设托架的变形量在水平状态已经通过调节托板的位置得到补偿。考虑薄壁件上架后在自动钻铆多姿态下其自重和托板分布引起薄壁件的动态变形，建立自动钻铆多姿态下各个托板的受力以及薄壁件变形的建模方法。
[0018]如图1所示，自动钻铆系统10主要由自动钻铆机100和相配的托架200组成。其中，托架200由端梁202与横梁204焊接而成的围框206、定位夹紧薄壁件的托板208和固定连接在围框206的两根横梁204上用于为托板208及附件提供支承作用的角板210组成。自动钻铆过程中要求钻头或铆钉与钻铆点的法线重合，因此需要计算托架200和薄壁件的变形量并进行相应的补偿。如前所述，自动钻铆系统中围框206质量大且跨度较长，造成飞机薄壁件在还没有上架之前就因自重而产生较大的变形挠度，给钻铆点的法向找寻带来一定的困难。
[0019]下面，详细地叙述本发明的建模方法。
[0020](I)如图2所示，自动钻铆系统中，飞机薄壁件上架后将薄壁件和托板208之间的定位、夹紧关系简化为连续梁受多个支承座支承的模型(多姿态依据图2中的α角和β角的改变体现，实际钻铆过程中β角很小(-4°?+4° )对薄壁件重力在托板208上的分布影响较小，本文不予以考虑)。其中，参见图2和图3，图2所示的在X'方向延伸的横梁204与图3所示的飞机薄壁件S的长度对应(图2中)，支承座支承端梁202位置和托板支承薄壁件位置对应。同时，将端梁202最左边支承座假定为固定支承，其余支承座假设为简支支承，简化后模型如图4所示。在模型中各跨受力用均布载荷qw表示，qw = GiZli,其中，Gi表示第i跨薄壁件的重力，Li表示第i跨的长度。
[0021](2)计算各个托板208的支持力，即，求解各个支承座的支持力。在所有中间托板208对应位置将薄壁件S截开，并将托板208支承简化为简支支承。每两个支承之间为一个跨距，每个跨距上的薄壁件S仅承受直接作用于该跨的载荷以及两端的支点弯矩(一个或两个多余未知力)。如图5所示，可以很方便地求出薄壁件S在托板208处的转角，并根据中间支座处相连两截面转角相同的条件建立补充方程，从而确定全部托板208位置的弯矩:
【权利要求】
1.一种飞机薄壁件自动钻铆多姿态变形建模方法，其包括如下步骤: (1)将飞机薄壁件和托板之间的定位夹紧关系简化为连续梁受多个支承座支承的模型，其中，简化后各跨的薄壁件所受重力用均布力qw表示qw = GiZli,其中，Gi表示第i跨的薄壁件重力，Li表示第i跨的长度； (2)计算各托板的支持力，在所有中间托板位置将薄壁件截开并将托板支承简化为简支支承，其中，利用下述公式1-ι求解各个托板位置的弯矩:
式中: Ii表示1-1到i托板间的跨距m; Mi表示i托板截面上的弯矩KN.m ; EL1表示ω i的形心Ci到i支承的距离m ； Oi表示1-Ι到i支承间载荷弯矩图的面积m2 ； bi+1表示ω i+1的形心ci+1到i+1支承的距离m ； Ei表示1-Ι到i托板间薄壁件材料的弹性模量GPa ； Ii表示1-Ι到i托板间薄壁件简化为连续梁的截面惯性矩； 当薄壁件的材料相同时，各个跨距段薄壁件的弹性模量Ei相同，则公式1-1变形为:
式中，Ii, Ii, Qi>ai,bi+1(i = 0,1,2,3,…，η)为已知条件，η+1个托板中有η_1个中间托板，列出η-1个方程,加上方程Mtl = O和Mn = 0，求解出η-1个中间托板所承受的弯矩Mi ； (3)求解出各个托板的弯矩后，进一步利用两个托板的受力平衡模型，计算自动钻铆过程中承载飞机薄壁件的各个托板的支持力: F,-? =0.5^,1, + ^^1 (最前端托板 i = O)(公式 1-3)
(4)将薄壁件按照托板位置划分成相应的小区域，针对每个小区域求解薄壁件变形，其中，每个小区域薄壁件受力变形模型简化为托板位置薄壁件简支支承，薄壁件表面仅受均布载荷的变形计算，其中: 薄壁件简支支承边界条件满足:
T11 = O、S = ε 12Eh/2 (1+ μ ) = O、ω = O、M11 = O、M12 = M21 = 0，其中: T11表示中面内力； S表示与壁板材料的弹性模量、泊松比及应力有关的数值； ω表不法向位移；M11表示壁板受到的弯矩； M12和M21表不壁板受:到的扭矩； 薄壁件自由边界条件满足:
U1 = O, μ 2 = O, ω = O, M11 = M011 = O, Φ2 = O, 其中: μ!表示沿X方向位移； μ 2表示沿y方向位移； M011表示表示壁板各个区域左边支撑处的弯矩； Φ2表示沿y轴的转角； 建立满足以上边界条件的薄壁件变形计算，设
其中: F和f为求解过程假设的函数； L表示托板均匀排布时，相邻两个托板间的距离； 将公式1-6和公式1-7代入薄壁件的静力方程并将所受载荷展开成傅里叶级数得到公式1-8和公式1-9:
其中: R表示壁板半径； μ表示壁板材料泊松比； k。表示12k/h2, h表不壁板厚度；
k表不和壁板尺寸及材料相关的参数，等于1-u/2kr ,
K表不和壁板厚度及壁板材料相关的参数，等于Eh/1-u2
a表示自动钻铆机工作过程中绕全局坐标系X轴转动的角度；β表示自动钻铆机工作过程中绕全局坐标系Y轴转动的角度；
公式1-8的特解为:
ψ康示微分算子
(公式 1-16)
其中: τ 12表示沿壳中面I方向的扭曲变形； τ 21表示沿壳中面2方向的扭曲变形； D表示和壁板材料参数相关的常数； K ι表示沿壳中面I方向的弯曲变形； K2表示沿壳中面2方向的弯曲变形 Φι表示沿X轴的转角； Φ2表示沿y轴的转角； 薄壁件中面位移U1^ u2、ω、φ 1、φ2:
(公式卜17) (公式 H8) (公式 1-19)
(公式 1-20)
(公式 1-21)
将已经计算出的F1、F2、f分别代入公式1-17到公式1-21并结合边界条件计算出薄壁件中面沿方向的变形量，式中
【文档编号】G06F19/00GK104200092SQ201410431457
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】卢鹄, 张开富, 李明慧, 李晓阁, 兰弻, 程晖 申请人:上海飞机制造有限公司, 中国商用飞机有限责任公司