飞机柔性件铆装中的接触力建模与偏差分析

                                      张雪,谭昌柏,王志国，周强

                             (南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016)

基于线弹性小变形假设，分析飞机柔性板件装配过程中的相互接触作用。提出了基于三角网格模型几何干涉分析的接触状态检测，采用部分析因设计方法（Fractorial Factorial Design）建立了接触力与接触节点间隙的线性关系，并在此基础上设计了接触平衡位置求解算法。通过与实验对比，验证了基于接触力模型的装配偏差分析模型预测柔性板件装配偏差的准确性。

   飞机柔性件装配的主要方法是铆接装配，铆接通常会引起较大的装配变形，且由于影响因素众多而难以分析控制，装配工艺过程严重影响飞机制造的质量。从质量工程的角度对柔性件铆接装配偏差进行合理预测和分析，对于减少飞机制造中的尺寸协调问题、提高飞机制造准确度具有重要意义。

    在柔性件装配分析模型研究中，大多采用有限元模型分析和仿真装配过程，Liu和Hu［1］将影响系数法与统计分析方法相结合，基于柔性件线弹性假设，利用有限元分析方法分别提取零件和装配体的刚度矩阵，推导和建立了装配偏差和零件输入偏差之间的线性关系，克服了直接采用有限元法建模时计算工作量大、效率低的缺点。但该方法在建立敏感度矩阵时，没有考虑接触作用对装配过程的影响，在某些装配过程中，零件存在较大的干涉接触作用，此类接触对于最终的装配偏差存在较大影响。因此，上述装配偏差分析模型在准确度和可靠性方面存在一定局限性。Dahlstrm和 Lindkvist［2］针对装配过程中影响系数法未考虑接触作用的问题，提出了基于影响系数法的接触力模型。该模型研究了接触力对装配力和回弹变形的影响，其局限性是仅考虑装配力沿夹紧方向大小相同情况下的平衡焊枪装配情况。飞机铆接装配的受力特点具有不同于平衡焊枪装配的特点，通常需要将零件压紧到理论连接位置进行铆接，上述方法没有关注接触状态下如何保证连接点位于指定位置的问题，且没有研究定位夹紧力和铆接力大小的求取方法，只是通过多次试验来确定。Kang Xie［3］等人研究了柔性件装配过程中考虑接触的尺寸偏差累积模型，提出了修正维数缩减法（Enhanced Dimension Reduction Method），基于ABAQUS的参数化建模方法，采用有限元分析实现了二维零件的尺寸接触模型，但该模型仅应用于二维模型，未能实现三维有限元模型的接触力建模。本文基于测量数据的三维零件模型，对接触力模型在装配仿真过程中的实现、装配偏差分析等问题进行研究。

1柔性件铆接装配过程建模

    目前，关于柔性件装配偏差分析的相关研究中，最具代表性的是基于装配过程柔性件线弹性变形假设的影响系数法［4］（Method of Influence Coefficient,MIC）。其基本思想是通过力学模型建立柔性件局部受力与变形的线性关系，然后运用该模型进行装配偏差统计分析，该方法的显著优点是在效率上远远优于直接运用有限元分析工具建立仿真模型进行偏差分析的蒙特卡罗仿真法［1］。

    关于柔性件装配过程的偏差来源，影响装配准确度的主要因素包括以下几方面：偏差（零件偏差、过程偏差）、装配方案（装配顺序、夹具方案、连接配置）和概念设计（几何体形状、刚度条件、零件数量、接头类型）［5］。

1.1基于线弹性假设的装配偏差分析

    线弹性假设方法是基于柔性件小变形、线弹性的假设，运用线性有限元的方法研究柔性件在装配。。。。。。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275236）

作者简介：张雪（1988—），女，江苏徐州人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞机数字化装配。

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