天線裝配工裝定位優化設計?

趙理金，幸 研，仇曉黎，賁可存，倪 俊

（1.東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189；2.南京電子技術研究所，江蘇 南京 210013）

0 引言

目前柔性裝配技術在國內外蓬勃發展［1］。一些學者通過研究可重新配置和調整工裝，使零件加工中的專用工裝數量大大減少，從而使生產效率得到大幅提高［2］。

傳統天線裝配模式下，主要依靠技術人員的經驗進行裝配，存在著生產周期長、制造成本高等缺點［3］。隨著國內新型號天線的逐漸增多，柔性化工裝也隨之增多，傳統的工裝布局已經不能滿足多品種、小批量生產的需要。但是在天線工裝布局方面的研究還很少?；谏鲜銮闆r，面向新一代天線柔性化裝配需求，本文以某型號天線作為應用對象，基于HyperMesh［4－5］，設計完成了用于該類型天線工裝的CAE流程自動化系統。

1 HyperWorks CAE流程自動化系統

本文中的CAE流程自動化系統如圖1所示，它能建立天線工裝靜力學有限元分析模型，本系統以流程樹的形式在HyperMesh中顯示。

圖1 CAE流程自動化系統

在雷達天線有限元模型建立過程中，該系統能夠完成抽取中面、幾何清理、建立材料、添加載荷、網格劃分和模型檢查等，如圖2所示。

圖2 前處理流程圖

運用CAE流程自動化系統建立主定位有限元分析模型，天線及工裝材料屬性設置如表1所示。其中鉚接力大小選擇4 000N，施加的鉚接力定義在不同的載荷步中。我們對天線工裝中定位件的位置從左到右命名為：位置一、域一、域二、域三、域四。在域一和域三放置主定位件，設置6個自由度的約束，如圖3所示。圖4為主定位有限元分析模型，圖4的（a）、（b）、（c）和（d）分別為自動化系統建立模型過程中的抽取中面、網格劃分、添加載荷和建立裝配體連接的模型。

表1 天線及工裝材料屬性

2 天線工裝主定位結果分析

2.1 天線工裝主定位靜力學分析

圖5中分別給出了主定位情況下天線工裝的總位移及在X、Y、Z方向的位移。從圖5中可以看出，雷達天線工裝中定位件變形很??；模型中鉚接力施加位置（左下角）變形最大，最大值為0.722 2mm；定位件所在位置變形最小。天線工裝總位移從左往右逐漸減小，當靠近主定位件時天線的變形會減小，距離定位件較近的筋板由于受到約束變形相對較小。X方向上，域一左側位置上天線產生了較大的變形，最大值為0.249 6mm；Y方向上天線整體變形較小，但在鉚接力位置產生較大變形，最大值為0.706 9mm，其中Y方向是鉚接力方向；Z方向上，天線工裝既受到拉伸又受到擠壓，位移最大值出現在受力點附近，大小為－0.103 7mm。

圖3 天線工裝模型

應力云圖能很好地反映模型的受力情況，圖6給出了天線工裝主定位的應力云圖。從圖6中可以看出：鉚接力施加位置的應力最大，其值為295.6MPa，沿著Y軸負方向逐漸減小，域1位置左側及最下面的兩根長筋板受到了較大的應力，這與天線工裝的主位移一致。

2.2 天線工裝多載荷分析

將各載荷步所產生的位移進行算術疊加，得到的衍生位移云圖如圖7所示。圖7中Y方向的兩端均產生了較大的變形，尤其是最右側筋板，都呈現出紅色或者橙紅色，最大變形達到了2.761mm；最左側筋板也出現較大的變形，最大值達到了1.172mm；中間部分變形也較大，在短筋板處出現位移最大值為1.239mm；在有主定位件的地方變形較小，可以看出主定位件減小了筋板的變形，但是只能對左、右兩側的筋板有影響。

圖8為天線工裝衍生載荷主定位應力云圖，最大應力為854.8MPa。天線的最左側受到的應力較大，鉚接力施加位置會出現較大的受力，這與天線變形一致。

圖4 主定位有限元分析模型

圖5 天線工裝主定位位移云圖（mm）

圖6 天線工裝主定位應力云圖（MPa）

圖7 天線工裝衍生載荷主定位位移云圖

圖8 天線工裝衍生載荷主定位應力云圖

根據上面的分析，主定位下的天線工裝結構鉚接時在位置一、域二和域四位置處產生較大的變形和應力，可能破壞天線的結構，分別在這3個位置添加3個自由度的輔助定位件對天線進行約束，并利用CAE流程自動化系統重新建立主輔定位有限元模型。

3 天線工裝主輔定位結果分析

3.1 天線工裝主輔定位靜力學分析

圖9給出了主輔定位情況下天線工裝的總位移及在X、Y、Z方向的位移。如圖9所示，模型中鉚接力施加位置（左下角）變形最大，最大值為0.495mm，與主定位時最大位移0.722 2mm相比減少了31%。天線工裝總位移的變化情況和主定位時的情況相似：從左往右逐漸減小，距離定位件較近的筋板由于受到約束變形減小。X方向上，位置一和域一之間天線產生了較大的變形，最大值為0.322mm，域一和域二之間天線受到了相反方向的擠壓；Y方向上天線在鉚接力位置產生較大變形，大小為0.495mm，天線中間部分受到了相反方向的擠壓；Z方向上，天線工裝既受到拉伸又受到擠壓，位移情況較復雜，但是都較小，最大值為0.067 5mm。

圖9 天線工裝主輔定位位移云圖

圖10為天線工裝主輔定位下的應力云圖，圖中顯示應力最大值為247.7MPa，出現在鉚接力施加位置，變化趨勢與總位移云圖一致。天線的應力最大值基本沒變，但是天線整體在單一載荷下受力情況得到了優化。

圖10 天線工裝主輔定位應力云圖

3.2 天線工裝主輔定位多載荷分析

將各載荷步所產生的位移進行算術疊加，得到的云圖如圖11所示。圖11（a）中天線的最大位移為1.516mm，與主定位時不同，主位移無明顯變化趨勢。圖11（b）中天線最大應力為712.2MPa，所受應力在鉚接力施加位置最大。與主定位時相比，主輔定位最大位移1.516mm，相比主定位最大位移2.761mm減小了45%，應力最大值也減小了142.6MPa。當增加了輔助定位后天線在裝配過程中的總變形和受力都得到了很大的優化。

圖11 天線工裝衍生載荷主輔定位位移及應力云圖

4 天線工裝實驗

為了測量出天線在鉚接過程中的變形情況，建立了一個縮比的天線模型。使用V-STARS系統［6］分別測量出天線在鉚接前、后的三維坐標，并用V-STARS軟件計算出鉚接前、后天線的變形，如圖12所示。從圖12中可以看出，天線最大變形為2mm，基本都在1.5 mm以下。仿真分析中，主定位分析得到的位移最大值為2.761mm，增加輔助定位后天線的變形最大值為1.516mm。仿真分析的結果和實驗的結果在合理的誤差范圍內。

圖12 天線總位移變化示意圖

5 結論

基于HyperWorks平臺開發出了針對某型號雷達天線的CAE流程自動化系統，并運用此系統對天線工裝定位布局進行了優化設計。先分析了主定位時天線變形較大的區域，通過在相應區域增加輔助定位的方式，增加了工裝結構的剛性。通過對重新計算改進后的天線工裝進行仿真分析，驗證了在相應區域增加輔助定位能減小天線在鉚接過程中的變形和應力。通過建立縮比天線模型，獲得鉚接時鉚接變形的大小，這些數據驗證了仿真結果是可靠的。本文給出的CAE流程自動化系統滿足了天線柔性化的裝配需求，提高了工裝設計的效率，為后期設計新的天線工裝提供了依據。

［1］李國明.基于HyperWorks柔性夾持工裝機構的優化技術研究［D］.沈陽：沈陽航空航天大學，2012：2-5.

［2］郭洪杰，康曉峰.飛機部件裝配數字化柔性工裝技術研究［J］.航空制造技術，2011（22）：94-97.

［3］王亮，李東升.飛機數字化裝配柔性工裝技術體系研究［J］.航空制造技術，2012（7）：34-39.

［4］李楚琳.Hyperworks分析應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［5］邊弘曄，李鶴.HyperMesh有限元處理關鍵技術研究［J］.機床與液壓，2008，36（4）：160-164.

［6］黃桂平，欽桂勤.數字近景攝影大尺寸三坐標測量系統V-STARS的測試與應用［J］.宇航計測技術，2009（2）：5-9.