基于VSA的水平尾翼固定前缘容差分析

刘盼++李建勋++高鹏

摘 要：在飞机制造中，对产品的装配准确度和工艺性提出了很高的要求，合理的容差分配起到了关键的作用，因此容差优化和工艺选优是飞机制造过程中重要的环节。本文阐述了容差分析与优化的流程，并指出容差优化具有评价工艺能力、提取控制目标影响因子和改进工艺的作用。利用商用容差分析软件，针对某机型水平尾翼的固定前缘进行了容差分配方案的优化，验证了容差优化的作用，为实际装配工艺方案的制定提供参考。

关键词：飞机制造 容差优化 水平尾翼 固定前缘

中图分类号：V22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0084-03

在飞机的设计、工艺、制造、装配等过程中，容差的合理分配是非常关键的，它关系到产品的性能、制造成本、装配工艺性等。对零件容差要求严格，零部件装配准确度高，装配工艺性好，而零件制造成本增加，产品超差率提高；反之，对零件容差要求宽松，零部件装配准确度低，装配工艺性差，而零件制造成本减少，产品超差率降低[1]。因此，在飞机制造过程中，需要对零件的容差给定合理的分配方案，并进行方案的不断迭代优化，从而合理地协调产品的性能、制造成本和装配的工艺性。可见，容差优化己成为提高飞机装配质量和缩短研制周期的重要环节。目前，在容差优化方面，国内外作了相当的研究，研究采用的主要方法有：最小成本法、遗传算法、模糊综合法、人工智能法等。

本文基于VisVSA技术，以水平尾翼为例，采用数字化手段进行容差分配方案的优化，进一步提高了容差分析的精度和容差设计的合理性。

1 容差分析与优化流程

容差分析及优化的主要工作过程，是根据工程/制造/装配工艺确定的零件公差、装配路线及基准传递路线建立容差传递尺寸链，利用计算机模拟装配的方法，最终得到控制目标的工艺能力指数评判，对工艺方案进行验证，最终从不同的工艺方案和装配协调路线中优选出一套合理的方案。容差分析与优化示意图如图1所示。

从容差分析与优化的流程可以看出，容差分析与优化是通过对控制目标的超差来源进行数字化定量分析。其作用如下。

（1）计算工艺能力指数Cp和Cpk，评价产品的装配质量。

Cp可以理解为某一工序保证加工质量的能力。Cpk可以理解为某道工序的加工精度能满足公差要求的程度。Cp和Cpk的计算公式如下：

（1）

（2）

其中：为控制目标要求的上限；为控制目标要求的下限；为正态仿真结果的均值；为正态仿真结果的标准差。在仿真分析环节，将控制目标要求作为输入条件，通过仿真装配计算产品装配工艺的工艺能力指数Cp和Cpk来评价工序的工艺能力，从而评价产品的装配质量。一般要求Cp值要大于1.33，如果低于1.33说明出现不合格产品概率大，但Cp值过高会使成本增加。

（2）提取控制目标的影响因子，并计算影响因子的贡献度。

贡献度为影响尺寸琏环节的因素对尺寸链的贡献程度。通过商用容差分析软件的仿真计算，可以提取出控制目标的影响因子，计算影响因子的贡献程度。因此，在对容差分配方案进行优化时，着重改进贡献度大的因子。

（3）对容差进行迭代优化，改进装配工艺方案。

结合VSA容差分析软件模拟产品的装配，对容差分配方案进行优化，最终满足质量要求、设计与制造要求，达到改进装配工艺方案的目的。

2 容差分配优化

本文以水平尾翼固定前缘为例，说明如何使用容差分析模型进行容差分配方案的优化。

2.1 固定前缘介绍

水平尾翼固定前缘由钣金蒙皮、钣金封闭肋、钣金支撑肋以及机加连接肋组成，

其组件结构如图2所示。

2.2 控制目标要求及测量目标转换

水平尾翼固定前缘的控制目标及要求如表1所示。

在VSA容差分析软件中，外形容差和间隙都不能直接建立其测量目标，需要将两个控制目标转换为VSA中可以测量的目标，通过可测目标的仿真结果来反映控制目标。

2.3 原容差分配方案分析

应用容差分析软件VSA，建立固定前缘的仿真分析模型。按照实际装配工艺方案，将原容差分配方案输入到仿真分析模型中，通过对仿真结果的分析，来验证原容差分配方案的可行性。

2.3.1 原容差分配方案输入

固定前缘蒙皮的容差输入如图3所示，蒙皮外形上3个点为A基准，端面2个点为B基准，蒙皮外形上1个点位C基准。蒙皮的外形精度为-0.3 mm/+0.1 mm，厚度公差为±0.14 mm，工艺耳片孔的位置度为Φ0.1 mm。

钣金封端肋和支撑肋的容差输入如图4所示，肋的腹板平面为A基准，腹板上的工装定位孔分别为B、C基准。肋腹板面的平面度为0.1 mm，两个定位孔的位置度为 Φ0.2 mm，肋的外形精度为-0.3 mm/+0。

机加连接肋的容差输入如图5所示，肋的腹板平面为A基准，腹板上的工装定位孔分别为B、C基准。肋腹板面的平面度为 0.1 mm，两个定位孔的位置度为Φ0.1 mm，肋的外形精度为-0.4 mm/+0。

2.3.2 结果分析

在VSA软件中，按照工艺方案装配固定前缘后，得到了固定前缘外形容差和固定前缘与肋间隙的仿真结果。仿真结果如图6和图7所示，其中外形容差给定的控制要求界限为±0.8 mm，间隙给定的控制要求界限为0/+0.5 mm。

在给定的控制目标界限±0.8 mm下，外形容差的仿真数据如表2所示，影响因素如表3所示。

从表2中的数据可以看出，固定前缘蒙皮的外形容差可以达到-0.5192 mm/+ 0.2803 mm，如果工程要求为±0.8 mm，则外形容差测量的Cp≧1.33，即合格率为99.73%，工艺能力高。可见，固定前缘蒙皮的外形容差满足工程控制要求。从表3中的影响因素可以看出，影响前缘外形容差的主要因素是蒙皮的外形精度。endprint

在给定的控制目标界限0/+0.5 mm下，1#端肋与固定前缘的间隙仿真数据如表4所示，影响因素如表5所示。

从表4中的数据可以看出，固定前缘蒙皮与1#端肋的间隙为-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求为0/+0.5 mm，则间隙测量的Cp≧0.6067，即合格率达不到为99.73%，工艺能力不足。类似固定前缘蒙皮与1#端肋的间隙，固定前缘蒙皮与2#、3#端肋的间隙分别为-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前缘蒙皮与端肋的间隙不能满足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前缘与端肋会发生干涉。从表5中的影响因素可以看出，影响间隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

从以上对固定前缘外形容差和固定前缘与肋间隙的仿真结果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以满足控制要求，间隙不能满足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案优化

从固定前缘与端肋间隙的仿真结果可以看出，间隙的容差大于设计给定的控制要求，说明在实际装配阶段中会出现超差现象，需要对分配方案进行优化。通过对控制目标影响因子的提取，可见蒙皮的外形精度对间隙的影响最大，因此，在进行容差分配方案迭代优化中，需要适当调整蒙皮的外形精度的公差值，来达到优化的目的。现将固定前缘蒙皮的外形精度调整为 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的输入条件不变，确定新的容差输入方案。

将新的容差分配方案输入到VSA分析模型中，通过分析计算，再次得到新的仿真结果，结果如图8和图9所示。

可见，通过容差分配方案的迭代优化，固定前缘外形容差的仿真结果为-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然满足控制目标要求；间隙的分析结果为-0.2 mm/+0.5 mm，在允许0.2 mm修错的情况下，基本符合控制要求。因此，改进后的容差分配方案基本符合装配质量要求，可以满足实际的需要。

3 结语

在飞机装配过程中，容差分配和装配工艺对飞机的性能、结构装配质量有着重要的作用，可见，容差优化成为飞机装配过程的重要环节。本文阐明了容差分析和迭代优化的流程，并给出了容差优化具有评价工艺能力、提取影响因子和改进工艺的作用。通过结合商用容差分析软件，针对某机型水平尾翼的固定前缘进行了容差分配方案优化，为实际装配工艺方案的制定提供参考和依据。

参考文献

[1] 武一民，周志革，杨津.公差分析与综合的进展[J].机械设计，2001（2）：4-5.

[2] 刘玉生，杨将新，吴昭同.CAD/LAPP集成中公差的模糊优化设计[J].浙江大学学报，2001，35（I）：41-46.

[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint

在给定的控制目标界限0/+0.5 mm下，1#端肋与固定前缘的间隙仿真数据如表4所示，影响因素如表5所示。

从表4中的数据可以看出，固定前缘蒙皮与1#端肋的间隙为-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求为0/+0.5 mm，则间隙测量的Cp≧0.6067，即合格率达不到为99.73%，工艺能力不足。类似固定前缘蒙皮与1#端肋的间隙，固定前缘蒙皮与2#、3#端肋的间隙分别为-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前缘蒙皮与端肋的间隙不能满足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前缘与端肋会发生干涉。从表5中的影响因素可以看出，影响间隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

从以上对固定前缘外形容差和固定前缘与肋间隙的仿真结果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以满足控制要求，间隙不能满足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案优化

从固定前缘与端肋间隙的仿真结果可以看出，间隙的容差大于设计给定的控制要求，说明在实际装配阶段中会出现超差现象，需要对分配方案进行优化。通过对控制目标影响因子的提取，可见蒙皮的外形精度对间隙的影响最大，因此，在进行容差分配方案迭代优化中，需要适当调整蒙皮的外形精度的公差值，来达到优化的目的。现将固定前缘蒙皮的外形精度调整为 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的输入条件不变，确定新的容差输入方案。

将新的容差分配方案输入到VSA分析模型中，通过分析计算，再次得到新的仿真结果，结果如图8和图9所示。

可见，通过容差分配方案的迭代优化，固定前缘外形容差的仿真结果为-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然满足控制目标要求；间隙的分析结果为-0.2 mm/+0.5 mm，在允许0.2 mm修错的情况下，基本符合控制要求。因此，改进后的容差分配方案基本符合装配质量要求，可以满足实际的需要。

3 结语

在飞机装配过程中，容差分配和装配工艺对飞机的性能、结构装配质量有着重要的作用，可见，容差优化成为飞机装配过程的重要环节。本文阐明了容差分析和迭代优化的流程，并给出了容差优化具有评价工艺能力、提取影响因子和改进工艺的作用。通过结合商用容差分析软件，针对某机型水平尾翼的固定前缘进行了容差分配方案优化，为实际装配工艺方案的制定提供参考和依据。

参考文献

[1] 武一民，周志革，杨津.公差分析与综合的进展[J].机械设计，2001（2）：4-5.

[2] 刘玉生，杨将新，吴昭同.CAD/LAPP集成中公差的模糊优化设计[J].浙江大学学报，2001，35（I）：41-46.

[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint

在给定的控制目标界限0/+0.5 mm下，1#端肋与固定前缘的间隙仿真数据如表4所示，影响因素如表5所示。

从表4中的数据可以看出，固定前缘蒙皮与1#端肋的间隙为-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求为0/+0.5 mm，则间隙测量的Cp≧0.6067，即合格率达不到为99.73%，工艺能力不足。类似固定前缘蒙皮与1#端肋的间隙，固定前缘蒙皮与2#、3#端肋的间隙分别为-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前缘蒙皮与端肋的间隙不能满足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前缘与端肋会发生干涉。从表5中的影响因素可以看出，影响间隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

从以上对固定前缘外形容差和固定前缘与肋间隙的仿真结果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以满足控制要求，间隙不能满足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案优化

从固定前缘与端肋间隙的仿真结果可以看出，间隙的容差大于设计给定的控制要求，说明在实际装配阶段中会出现超差现象，需要对分配方案进行优化。通过对控制目标影响因子的提取，可见蒙皮的外形精度对间隙的影响最大，因此，在进行容差分配方案迭代优化中，需要适当调整蒙皮的外形精度的公差值，来达到优化的目的。现将固定前缘蒙皮的外形精度调整为 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的输入条件不变，确定新的容差输入方案。

将新的容差分配方案输入到VSA分析模型中，通过分析计算，再次得到新的仿真结果，结果如图8和图9所示。

可见，通过容差分配方案的迭代优化，固定前缘外形容差的仿真结果为-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然满足控制目标要求；间隙的分析结果为-0.2 mm/+0.5 mm，在允许0.2 mm修错的情况下，基本符合控制要求。因此，改进后的容差分配方案基本符合装配质量要求，可以满足实际的需要。

3 结语

在飞机装配过程中，容差分配和装配工艺对飞机的性能、结构装配质量有着重要的作用，可见，容差优化成为飞机装配过程的重要环节。本文阐明了容差分析和迭代优化的流程，并给出了容差优化具有评价工艺能力、提取影响因子和改进工艺的作用。通过结合商用容差分析软件，针对某机型水平尾翼的固定前缘进行了容差分配方案优化，为实际装配工艺方案的制定提供参考和依据。

参考文献

[1] 武一民，周志革，杨津.公差分析与综合的进展[J].机械设计，2001（2）：4-5.

[2] 刘玉生，杨将新，吴昭同.CAD/LAPP集成中公差的模糊优化设计[J].浙江大学学报，2001，35（I）：41-46.

[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint