飞机装配工装结构分析与优化设计

◎许兰涛

一、飞机装配工装的现状

从当前的工装设计工作来看，在设计工作中普遍是根据以往的制造经验进行工装设计，由于飞机性能和型号的差异，在进行装配时对装配工装设备的要求也不同，进行工装设计时需要考虑到此种差异，对比分析各类飞机装配工作的工艺需求，有针对性的设计工装设备，而由于所采用的设计方法存在较大的不足，难以满足上述要求，致使我国的飞机装配工装的设计水平长期无法得到提升。在实际设计中，应用了多种技术，但受到多方面因素的影响，技术的作用不能被全面挖掘，导致工装设计的水平受到一定的限制影响。就CAD技术的应用来说，没有发挥该项技术的结构校核功能，仅对局部进行校核，致使在工装装备应用时，存在不能适应的问题，需要对工装装配进行反复调整方能投入使用。我国在飞机装配工装中的资金投入相对较大，但受到技术水平的影响，工装质量偏低，这将严重阻碍我国航空事业的进一步发展。

二、飞机装配工装结构分析

1.工况。

工况指的是，结构自身的承载能力，主要包括荷载能力和边界条件等。在飞机装配的过程中，还会产生极限工况的情况，指的是工装结构发生变形或者超出设计要求的工况。就工装结构的特性来说，其极限工况可分为自装配过程中的工况和使用过程中的工况。飞机制造过程中涉及的零部件较多，工况相对复杂，其中某一环节操作失误便会对整体装配质量产生影响。为此，需要结合飞机装配的实际要求，对装配工装进行合理设计，特别是对于其中易于产生装配质量问题的部位，例如骨架空间结构、定位器、加工荷载等。此外，人工操作的环节也是飞机装配的薄弱环节，这主要是由于人工操作时的失误现象很难避免。

2.装配工装结构简化。

鉴于飞机装配时所涉及的装配环节较多，工艺极为复杂，结构也较为复杂，在进行装配工装设计时，建模操作的难度较大，要想实现对全部结构的建模操作必定会造成大量的成本投入，同时也会延长飞机制造的时间，对制造效率产生一定影响。因此，需要对装配结构进行简化设计，但同时应注意做好模型结构与实际结构关系的处理工作，保障模型的力学特征与实际结构的力学特征相一致。对于一些结构中影响不大的细节进行简化处理，从而得出一个相对简洁的模型。如，对于两个作用相同的结构构件进行建模时，可将其中的受力较小，且作用不突出的构件省略，对于受力较大的构件进行工装设计即可。

工装结构简化建模，主要就是对工装结构中不同构件的分布情况和受力情况进行全面分析，并做好相关数据整理工作，在实际进行建模的过程中，都要遵循力学性质，在省略构件时，一定不能对整个工装结构的受力状态造成影响，保证整体的传力方向与简化建模之前一致，这种简化模型方便对飞机装配工装结构的有限元分析，计算结果和精度有所保证。

此外，结构简化工作还可根据工况以及制造环境的差异，做出适当的调整。为了保障结构简化的实效性，在进行简化之前，应首先对飞机装配中各类零部件以及工装结构的力学特征进行全面梳理，争取确定好各个结构在使用过程中的力学分布特点，确定装配过程中，工装结构的受力主体，对于一些不必要的结构进行简化处理。

3.离散结构。

在有限元模型建设中，离散模型的影响因素较多，其自身的质量会对最终的结构分析结果产生直接影响。为此，在进行离散模型建立时，需要做好以下几点工作：

（1）单元类型的选取应能代表结构的几何与承载特征；

（2）根据计算结果的精度要求决定工装构件单元尺寸，且尺寸大小应适应应力梯度的变化；

（3）约束、载荷的处理应符合装配工装真实支承与受力情况。优化设计

三、飞机装配工装结构的优化设计

飞机装配工装优化是在满足结构刚度要求下，实现工装结构型材规格的自动选择，达到结构重量最轻，降低生产成本，缩短工装研制周期的目的。飞机装配工装主要由骨架和定位夹紧件组成。骨架作为飞机装配工装的基体，是工装刚度的决定因素，因此，工装结构优化设计问题的定义主要包括以下3个方面。

1.确定设计变量。

由于飞机产品制造中对于其自身的入架、出架和装配提出了开敞性的要求，在进行优化设计时可以在不对拓扑结构的变化加以考虑，而是对骨架以及型材的截面形状与尺寸进行综合分析。因进行骨架截面设计时，需要遵循一定的型材标准，要求其尺寸有一定的规律性，在对其进行优化设计时，需要从变量设计的角度入手，结合各个构件尺寸间的关联度，进行优化设计。在此之前，需要建立一个标准的型材库，将各类规格的型材进行标号后，储存在型材库内，各类标号的型材尺寸存在一定的差异，在进行优化设计时，可直接在型材库内选择不同规格的型材，并且对比分析各类型材的刚度和结构性能，得出最优的结构设计方案。

2.重新定义设计约束。

在飞机装配工装设计时需要考虑自装配和产品装配2个工艺过程及其相应的若干载荷工况，要求在各种状态下工装刚度达到设计要求。优化过程中，通常将这类设计约束具体描述为定位点位移约束，即在2种工艺过程中相应工况下，定位点最大位移应不超过预设的上限值。

3.定义目标函数。

在工装的自装配和产品装配流程中，工装骨架结构可能有所不同，因此在优化问题中实际可能存在多个设计模型，而飞机装配工装结构优化的设计目标就是在满足所有模型、工况约束要求下寻求最终工装整体重量最小的设计。综上所述，飞机装配工装结构优化设计问题是一种复杂多模型、多工况、离散变量优化问题。

结语：飞机装配工装设计是飞机制造过程中的重要内容，设计效果与飞机装配技术的发展有着较大影响。为了保证飞机装配工装设计的合理性，则需要加强对工装设计技术的重视，对飞机工装结构刚度进行优化设计，建立完善的结构模型和优化设计系统，在保证工装结构刚度的基础上，缩短制造周期，提高装配质量，保证飞机装配工装设计的有效性。