飛機裝配工裝結構分析與優化設計

◎許蘭濤

一、飛機裝配工裝的現狀

從當前的工裝設計工作來看，在設計工作中普遍是根據以往的制造經驗進行工裝設計，由于飛機性能和型號的差異，在進行裝配時對裝配工裝設備的要求也不同，進行工裝設計時需要考慮到此種差異，對比分析各類飛機裝配工作的工藝需求，有針對性的設計工裝設備，而由于所采用的設計方法存在較大的不足，難以滿足上述要求，致使我國的飛機裝配工裝的設計水平長期無法得到提升。在實際設計中，應用了多種技術，但受到多方面因素的影響，技術的作用不能被全面挖掘，導致工裝設計的水平受到一定的限制影響。就CAD技術的應用來說，沒有發揮該項技術的結構校核功能，僅對局部進行校核，致使在工裝裝備應用時，存在不能適應的問題，需要對工裝裝配進行反復調整方能投入使用。我國在飛機裝配工裝中的資金投入相對較大，但受到技術水平的影響，工裝質量偏低，這將嚴重阻礙我國航空事業的進一步發展。

二、飛機裝配工裝結構分析

1.工況。

工況指的是，結構自身的承載能力，主要包括荷載能力和邊界條件等。在飛機裝配的過程中，還會產生極限工況的情況，指的是工裝結構發生變形或者超出設計要求的工況。就工裝結構的特性來說，其極限工況可分為自裝配過程中的工況和使用過程中的工況。飛機制造過程中涉及的零部件較多，工況相對復雜，其中某一環節操作失誤便會對整體裝配質量產生影響。為此，需要結合飛機裝配的實際要求，對裝配工裝進行合理設計，特別是對于其中易于產生裝配質量問題的部位，例如骨架空間結構、定位器、加工荷載等。此外，人工操作的環節也是飛機裝配的薄弱環節，這主要是由于人工操作時的失誤現象很難避免。

2.裝配工裝結構簡化。

鑒于飛機裝配時所涉及的裝配環節較多，工藝極為復雜，結構也較為復雜，在進行裝配工裝設計時，建模操作的難度較大，要想實現對全部結構的建模操作必定會造成大量的成本投入，同時也會延長飛機制造的時間，對制造效率產生一定影響。因此，需要對裝配結構進行簡化設計，但同時應注意做好模型結構與實際結構關系的處理工作，保障模型的力學特征與實際結構的力學特征相一致。對于一些結構中影響不大的細節進行簡化處理，從而得出一個相對簡潔的模型。如，對于兩個作用相同的結構構件進行建模時，可將其中的受力較小，且作用不突出的構件省略，對于受力較大的構件進行工裝設計即可。

工裝結構簡化建模，主要就是對工裝結構中不同構件的分布情況和受力情況進行全面分析，并做好相關數據整理工作，在實際進行建模的過程中，都要遵循力學性質，在省略構件時，一定不能對整個工裝結構的受力狀態造成影響，保證整體的傳力方向與簡化建模之前一致，這種簡化模型方便對飛機裝配工裝結構的有限元分析，計算結果和精度有所保證。

此外，結構簡化工作還可根據工況以及制造環境的差異，做出適當的調整。為了保障結構簡化的實效性，在進行簡化之前，應首先對飛機裝配中各類零部件以及工裝結構的力學特征進行全面梳理，爭取確定好各個結構在使用過程中的力學分布特點，確定裝配過程中，工裝結構的受力主體，對于一些不必要的結構進行簡化處理。

3.離散結構。

在有限元模型建設中，離散模型的影響因素較多，其自身的質量會對最終的結構分析結果產生直接影響。為此，在進行離散模型建立時，需要做好以下幾點工作：

（1）單元類型的選取應能代表結構的幾何與承載特征；

（2）根據計算結果的精度要求決定工裝構件單元尺寸，且尺寸大小應適應應力梯度的變化；

（3）約束、載荷的處理應符合裝配工裝真實支承與受力情況。優化設計

三、飛機裝配工裝結構的優化設計

飛機裝配工裝優化是在滿足結構剛度要求下，實現工裝結構型材規格的自動選擇，達到結構重量最輕，降低生產成本，縮短工裝研制周期的目的。飛機裝配工裝主要由骨架和定位夾緊件組成。骨架作為飛機裝配工裝的基體，是工裝剛度的決定因素，因此，工裝結構優化設計問題的定義主要包括以下3個方面。

1.確定設計變量。

由于飛機產品制造中對于其自身的入架、出架和裝配提出了開敞性的要求，在進行優化設計時可以在不對拓撲結構的變化加以考慮，而是對骨架以及型材的截面形狀與尺寸進行綜合分析。因進行骨架截面設計時，需要遵循一定的型材標準，要求其尺寸有一定的規律性，在對其進行優化設計時，需要從變量設計的角度入手，結合各個構件尺寸間的關聯度，進行優化設計。在此之前，需要建立一個標準的型材庫，將各類規格的型材進行標號后，儲存在型材庫內，各類標號的型材尺寸存在一定的差異，在進行優化設計時，可直接在型材庫內選擇不同規格的型材，并且對比分析各類型材的剛度和結構性能，得出最優的結構設計方案。

2.重新定義設計約束。

在飛機裝配工裝設計時需要考慮自裝配和產品裝配2個工藝過程及其相應的若干載荷工況，要求在各種狀態下工裝剛度達到設計要求。優化過程中，通常將這類設計約束具體描述為定位點位移約束，即在2種工藝過程中相應工況下，定位點最大位移應不超過預設的上限值。

3.定義目標函數。

在工裝的自裝配和產品裝配流程中，工裝骨架結構可能有所不同，因此在優化問題中實際可能存在多個設計模型，而飛機裝配工裝結構優化的設計目標就是在滿足所有模型、工況約束要求下尋求最終工裝整體重量最小的設計。綜上所述，飛機裝配工裝結構優化設計問題是一種復雜多模型、多工況、離散變量優化問題。

結語：飛機裝配工裝設計是飛機制造過程中的重要內容，設計效果與飛機裝配技術的發展有著較大影響。為了保證飛機裝配工裝設計的合理性，則需要加強對工裝設計技術的重視，對飛機工裝結構剛度進行優化設計，建立完善的結構模型和優化設計系統，在保證工裝結構剛度的基礎上，縮短制造周期，提高裝配質量，保證飛機裝配工裝設計的有效性。