本發(fā)明屬于航空數(shù)字化裝配，特別涉及一種大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的輕量化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、飛機艙內(nèi)大開口結(jié)構(gòu)在不均勻的應(yīng)力作用下屬于典型的易失穩(wěn)易變形結(jié)構(gòu)，變形狀態(tài)控制也比較困難。同時，艙體內(nèi)部的對接面由于剛度較低易發(fā)生裝配過程中與設(shè)計不符的結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致難以預(yù)知裝配應(yīng)力與變形的分布情況。然而，針對大開口結(jié)構(gòu)的對接面，現(xiàn)有的保型裝置是剛性工裝。由于僅考慮了自身剛度的保障，設(shè)計的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，拆卸不方便，給實際裝配操作帶來了一系列其他影響。并且保型工裝設(shè)計通常依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及主觀判斷對保型架的形式及保型工裝與產(chǎn)品支撐點位進(jìn)行選取設(shè)計，缺少對保型工裝材料、強度、使用過程變形的有效理論分析，無法解決實際使用過程中產(chǎn)品開口變形的問題。因此，為了從根本上解決該問題，需要一種適合大開口結(jié)構(gòu)的保型工裝輕量化設(shè)計方法。

2、從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，現(xiàn)有大開口結(jié)構(gòu)保型工裝輕量化研究主要依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗進(jìn)行粗略的剛度估算，結(jié)果導(dǎo)致工裝結(jié)構(gòu)粗笨、成本高，并且給制造與使用帶來很大困難。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對大開口結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)易變形的特征，為了避免依靠經(jīng)驗的粗略剛度估算導(dǎo)致工裝結(jié)構(gòu)粗笨、成本高，本發(fā)明提供了一種大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的輕量化設(shè)計方法，該方法有效分析工裝在實際應(yīng)用中所受載荷下的應(yīng)力分布，并進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化以尋求輕量化，最終完成裝配體化，降低了大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的重量，用于優(yōu)化大飛機大開口結(jié)構(gòu)裝配工藝，推動大飛機裝配技術(shù)發(fā)展。

2、
技術(shù)實現(xiàn)要素：

3、一種大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的輕量化設(shè)計方法，步驟如下：

4、步驟一：獲取大開口結(jié)構(gòu)在吊裝上架過程中的所受載荷和邊界條件，依據(jù)保型工裝在實際應(yīng)用下的載荷以及邊界條件，設(shè)計所需保型工裝的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型；

5、步驟二：根據(jù)保型工裝輕量化的需求確定設(shè)計區(qū)域、響應(yīng)約束和目標(biāo)函數(shù)，然后進(jìn)行迭代計算獲取獲得初步優(yōu)化后的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型；

6、步驟三：對初步優(yōu)化后的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型進(jìn)行模型重構(gòu)，以空間桁架結(jié)構(gòu)代替初步優(yōu)化模型中的連續(xù)實體結(jié)構(gòu)，將優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)拆分為基礎(chǔ)零件，實現(xiàn)保型工裝裝配體化；

7、步驟四：對裝配體化的保型工裝進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析驗證，判斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，如不滿足則修改零件設(shè)計重新裝配，如滿足則輸出結(jié)果。

8、進(jìn)一步，步驟一中，具體過程如下：

9、1.1，測量大開口結(jié)構(gòu)的尺寸信息，根據(jù)參考結(jié)構(gòu)確定設(shè)計域和非設(shè)計域，以保型工裝定位支撐端作為非設(shè)計域，主體結(jié)構(gòu)為設(shè)計域，設(shè)計域確定為實心長方體，利用建模軟件初步構(gòu)建保型工裝拓?fù)鋬?yōu)化的幾何模型；

10、1.2，根據(jù)吊裝上架過程中大開口結(jié)構(gòu)的吊裝點位和上升位移，獲取大開口結(jié)構(gòu)的載荷、邊界條件工況信息，進(jìn)一步完成保型工裝優(yōu)化模型的前處理過程，使用拓?fù)鋬?yōu)化軟件對保型工裝拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計域和非設(shè)計域?qū)嶓w模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到保型工裝的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型。

11、進(jìn)一步，步驟二中，具體過程如下：

12、2.1，根據(jù)保型工裝結(jié)構(gòu)輕量化的需求，將中間主要質(zhì)量分布區(qū)域設(shè)為設(shè)計優(yōu)化區(qū)域，選取能夠反應(yīng)設(shè)計域剛度和質(zhì)量的設(shè)計變量作為約束和目標(biāo)函數(shù)；

13、2.2，以結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能作為優(yōu)化目標(biāo)，施加保型區(qū)域的體積約束上限，進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，使得優(yōu)化后的保型工裝將材料用量和保形區(qū)的翹曲變形控制在一定范圍條件下，尋求材料的最優(yōu)分布，實現(xiàn)在給定的邊界條件及外力下結(jié)構(gòu)柔順性的最小化；

14、2.3，對單載荷工況進(jìn)行柔順度最大值最小化拓?fù)鋬?yōu)化，對多載荷工況則進(jìn)行線性加權(quán)柔順度最小化拓?fù)鋬?yōu)化，分別采用柔順度最大值最小化目標(biāo)函數(shù)和線性加權(quán)柔順度最小化目標(biāo)函數(shù)；

15、2.4，通過分析在體積約束下應(yīng)變能響應(yīng)的收斂性來判斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否滿足優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置收斂條件和迭代次數(shù)，應(yīng)變能滿足條件則得到保型工裝的初步優(yōu)化結(jié)果，不滿足條件則繼續(xù)迭代直至完成收斂，如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)無法完成收斂則修改參數(shù)重新進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，直至完成結(jié)構(gòu)的初步優(yōu)化。

16、進(jìn)一步，步驟三中，過程如下：

17、3.1，對拓?fù)鋬?yōu)化初步結(jié)果文件進(jìn)行導(dǎo)出，導(dǎo)出后對模型進(jìn)行重構(gòu)；重構(gòu)設(shè)計域，對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行切片處理得到截面曲線，利用直線進(jìn)行擬合，得到優(yōu)化擬合結(jié)果；

18、3.2，根據(jù)優(yōu)化擬合結(jié)果，將保型工裝模型拆分為基礎(chǔ)零件，并進(jìn)行連接裝配，實現(xiàn)輕量化保型工裝的裝配體化。

19、進(jìn)一步，步驟四中，過程如下：

20、4.1，對優(yōu)化完成的保型工裝外部模型進(jìn)行導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、定義材料、截面、指定截面材料屬性、設(shè)定邊界條件與載荷等操作，利用有限元軟件對重構(gòu)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析得到應(yīng)力、位移分析結(jié)果；

21、4.2，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，分析保型工裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)的剛強度不足以及應(yīng)力集中區(qū)域，基于形狀優(yōu)化原理加強結(jié)構(gòu)剛強度和緩解結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中；

22、4.3，使用有限元軟件對保型工裝重構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，以前四階固有頻率結(jié)果分析其結(jié)構(gòu)固有振動特性，判斷是否滿足設(shè)計要求，如果結(jié)構(gòu)固有振動特性小于未優(yōu)化保型工裝結(jié)構(gòu)，則滿足設(shè)計要求，如不滿足則修改零件設(shè)計重新裝配。

23、進(jìn)一步，線性加權(quán)柔順度最小化目標(biāo)函數(shù)如下：

24、

25、0＜ρmin≤ρe≤1

26、w為權(quán)因子，cj為柔順度，下標(biāo)j表示第j個載荷工況，為設(shè)計域體積，f為體積比，ρmin為單元密度最小值，ρe為單元e的相對密度。

27、進(jìn)一步，柔順度最大值最小化目標(biāo)函數(shù)如下：

28、min:max(cj)

29、

30、0＜ρmin≤ρe≤1

31、v為優(yōu)化后的體積。

32、進(jìn)一步，基礎(chǔ)零件包括：桿、梁、框。

33、本發(fā)明提供了一種大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的輕量化設(shè)計方法，該方法有效分析工裝在實際應(yīng)用中所受載荷下的應(yīng)力分布，并進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化以尋求輕量化，最終完成裝配體化，降低了大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的重量，用于優(yōu)化大飛機大開口結(jié)構(gòu)裝配工藝，推動大飛機裝配技術(shù)發(fā)展。

技術(shù)特征：

1.一種大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的輕量化設(shè)計方法，其特征在于：步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟一中，具體過程如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟二中，具體過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：步驟三中，過程如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：步驟四中，過程如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于：線性加權(quán)柔順度最小化目標(biāo)函數(shù)如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：柔順度最大值最小化目標(biāo)函數(shù)如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于：基礎(chǔ)零件包括：桿、梁、框。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于航空數(shù)字化裝配技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大開口結(jié)構(gòu)保型工裝的輕量化設(shè)計方法，步驟一：獲取大開口結(jié)構(gòu)在吊裝上架過程中的所受載荷和邊界條件，依據(jù)保型工裝在實際應(yīng)用下的載荷以及邊界條件，設(shè)計所需保型工裝的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型；步驟二：根據(jù)保型工裝輕量化的需求確定設(shè)計區(qū)域、響應(yīng)約束和目標(biāo)函數(shù)，然后進(jìn)行迭代計算獲取獲得初步優(yōu)化后的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型；步驟三：對初步優(yōu)化后的拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格模型進(jìn)行模型重構(gòu)，以空間桁架結(jié)構(gòu)代替初步優(yōu)化模型中的連續(xù)實體結(jié)構(gòu)，將優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)拆分為基礎(chǔ)零件，實現(xiàn)保型工裝裝配體化；步驟四：對裝配體化的保型工裝進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析驗證，判斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，如不滿足則修改零件設(shè)計重新裝配，如滿足則輸出結(jié)果。

技術(shù)研發(fā)人員：駱迎昕,談寶林,李斌,黃衛(wèi)超,周宏遙
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中航西安飛機工業(yè)集團(tuán)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28