装配型架刚度库系统的开发

洪学玲，郭龙江，金晓波，陈浩

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092）

0 引言

飞机装配型架是航空产品生产过程中不可缺少的工艺装备，装配型架的质量直接影响到产品的质量，而刚度是衡量装配型架质量的一个重要技术指标。长期以来，装配型架设计人员从事繁重的设计任务，多数设计人员仅凭经验选择骨架的型材尺寸和定位器的大小，由于缺少理论数据的支撑，可能会导致局部刚度不足或者过于笨重，经验设计已经无法满足型架设计水平提升的要求。刚度设计成为制约型架优化改进和技术提升的瓶颈，如何快速有效地进行装配型架刚度设计是亟待解决的问题。

本文针对目前型架刚度分析现状，开发了一套装配型架刚度库系统。该系统集成于CATIA设计平台中，设计人员在设计过程中可进入刚度库系统，进行实时查询，快速获得所需刚度数据，从而大大提高了设计与分析效率，为装配型架设计优化提供了可靠的数据支撑。

1 装配型架刚度数据库系统设计

装配型架刚度是保持装配件空间位置准确度及其稳定性的基础。其刚度主要是由骨架与定位器的刚度决定，骨架与定位器的刚度直接影响了定位精度[4]。本文根据型架的功能以及刚度需求进行分类，并在用户需求分析的基础上，开发了一套装配型架刚度库系统。开发的库系统主要分成两大模块：骨架模块和定位器模块。型架刚度数据库系统的目标是输入一定的约束条件，快速得到变形数据。该系统从功能、信息和数据3个方面满足使用用户的要求。其总体结构如图1所示。

图1 装配型架刚度库系统结构图

1.1 骨架模块

装配骨架的数量和种类很多，本文综合型架在设计和制造中的分类模式，按功能对骨架进行分类，基于有限元对功能模块中的各种类型的骨架f(x)(x=1、2、3……n)建立有限元模型、施加载荷和边界、划分网格并求解，结果以数据和图形的方式展现。将n种型架的模型和结果文件封装在骨架库中，各类库文件中包含目前装配中的所有工况。其中某类骨架库文件如图2所示。设计人员通过调用不同的功能模块，根据工装实际使用情况选择工况，快捷选择所需要的刚度数据。系统建立75个骨架库文件，库中的模型和数据满足目前90%的骨架类型，但对于特殊类型的型架骨架，该库目前无法提供数据，需要设计人员单独进行骨架的建模。骨架库具有更新功能，管理人员可以增加特殊类型骨架库文件,不断完善刚度库系统。

图2 某类骨架部分库文件

1.2 定位器模块

装配型架定位器主要分成孔定位器和卡板定位器。孔定位器主要是由支撑部件和定位臂组成，其结构如图3所示。孔定位器的支撑部位刚性强，在分析的过程中视为刚性体。定位器主要受到产品的集中力作用。定位器的刚度主要是由定位臂决定。本文根据梁弯曲挠度方程解析法，推出计算公式，增加工程修正系数。并针对孔定位器的特点，系统中开发了孔定位器专用计算模块，设计人员输入相应的约束条件，系统自动算出变形结果。卡板定位器为型架的外形定位夹紧件，卡板由卡板主体和卡板端头组成，结构如图4所示。卡板一般都是在上、下端头用销轴连接在叉形结构上，叉头通过焊接或螺纹联接固定在型架的骨架上。在进行卡板的刚度分析时，卡板附件叉头尺寸相对小，刚度大，建模时对型架的刚度的影响很小，一般不考虑。卡板结构相对规则，根据卡板的跨度、宽度，基于有限元软件建立有限元模型，卡板用壳单元模拟，工况包含目前实际使用各种工况，结果以数据和变形图的形式给出。本文建立了62个卡板库文件，库中的模型和数据满足目前85%的卡板类型。但对于特殊类型的卡板，该库无法提供数据，需要设计人员基于有限元软件建模。卡板库具有更新功能，管理人员可以增加特殊类型卡板库文件不断完善刚度库系统。

图3 孔定位器

图4 卡板定位器

2 建模技术

2.1 有限元技术[2，5]

本文基于有限元技术，对骨架和卡板建立了有限元模结构模型。有限元模型是结构的离散模型，模型中包含了结构的物理特性以及力和位移的边界条件，是偏微分方程的近似解。在有限元技术中，单元是由节点构成的，节点具有几何属性和物理属性。单元的形状、单元的形函数、材料特性、边界条件的确定、求解方法等都和解的精度有关。因此，模型中合理的网格分布、材料特性、节点或者几何体上载荷和约束的准确性等都直接影响分析结果的准确性。建立有限元模型，不需要几何上的极度逼近，而是性能上的真实性以及对物理模型的深入了解。单元位移和单元力之间的关系为

式中：ue为离散节点的位移矢量；Pe为作用于单元上的外力矢量；kee为单元刚度矩阵。

2.2 定位器模型建立

孔定位器的数学模型可以简化为悬臂梁，根据梁弯曲绕度方程解析法可得到定位器最大的垂直位移：

式中：P为载荷；E为弹性模量；I为定位臂型心矩；l为定位臂的长度。

考虑到剪切项的影响，可以修正为

式中：K为5/6；A为定位臂截面积；G为剪切模量。

3 系统的开发和应用

3.1 开发环境

装配型架刚度库系统开发与运行的环境：开发环境为操作系统Window 7；开发语言为VISUAL Basic 6.0。

3.2 应用程序设计

在该系统中，应用程序为用户提供了用户登录、数据维护、骨架刚度查询、卡板查询、孔定位器刚度计算、标准件查询等功能。本文基于VB语言开发人机交互界面，将应用程序封装在界面中，大量的运算过程均在后台运行，操作界面简单且符合职业习惯，便于设计人员操作和管理。装配型架刚度数据库系统实质是在一定的输入条件下一种数据的智能化计算与检索。

1）登录。进入系统的主窗体运行界面，点击登录进入身份验证模块，身份分为设计人员与管理人员。设计人员仅能进行查询计算，管理人员可对数据库进行添加和删除管理等操作。

2）骨架刚度查询模块。该模块主要实现骨架的刚度查询功能。将骨架分为n个类别，每一功能类别的骨架中进一步分类，该模块实现对每一种功能骨架的刚度查询，点击不同的功能分类以及类型分类，可查询具体的刚度数据以及变形云图，结果文件直观。其中某类翼面类骨架的查询界面如图5所示。

图5 翼面类骨架的查询界面

3）卡板刚度查询模块。卡板查询模块的功能只需要输入卡板的材料、跨度、宽度，便可以在卡板库中自动匹配卡板类型，输出结果文件。

4）孔定位器刚度计算模块。孔定位器刚度计算模块主要实现孔定位器刚度的自动计算，设计人员只需要输入定位器的材料、受力大小、定位器悬臂的长度，以及型材规格尺寸，通过计算程序，自动获取定位器的变形数据。其中某类孔定位器计算界面如图6所示。

图6 孔定位器计算界面

5）标准件查询模块。该模块实现功能为现有标准件数据的保存和管理，标准件包含了行业标准和企业标准。企业标准不断更新，该模块相应增加了标准件库的管理与更新功能。

6）系统的维护和管理。对系统中存储的信息进行更新，维护系统的完整性，并能对系统进行还原，保证了系统数据安全性。

3.3 接口程序

为了满足装配型架刚度库系统在型架设计人员中的广泛应用，需要将开发的系统与CATIA集成，用户通过应用界面实现CATIA环境下与刚度库系统的交互。在CATIA中建立装配型架刚度库系统的启动工具条，具体的内容如下：

当CATIA打开后，可通过设计界面中的工具条，设计人员在设计过程中直接调用装配型架刚度库系统，快速进入开发系统，获得设计所需数据。

3.4 应用

本文以多套不同功能的装配型架为例，对开发系统进行了实际应用。在初步方案设计阶段以及详细设计阶段，型架设计人员基于CATIA平台，点击工具条进入装配型架刚度库系统，针对有刚度要求的骨架或者精度要求高的定位器，在设计过程中进行刚度分析。通过人机交互界面进入不同模块进行查询或者计算，得到相应设计的刚度数据。刚度数据使得设计人员获得对型架总体变形直观理性的认识。对出现的局部刚度不足或者过于笨重、不合理的尺寸重新输入设计值，最终选择最合理的设计尺寸。其应用流程如图7所示。

图7 装配型架刚度库系统应用流程

通过对开发的型架刚度库系统的应用，该系统能够满足刚度分析的要求，取得了显著效果，设计人员在设计过程中完成了优化改进设计，大大降低了成本，提高了效率，具有重要应用价值。

4 结语

本文针对目前装配型架刚度分析技术以及设计优化的需要，根据型架在设计和制造中的分类模式，并结合技术现状以及生产实际，基于VB开发了一套装配型架刚度数据库系统。该系统集成于设计平台CATIA中，实现了与设计系统的无缝连接。系统结构清晰，具有时效性、可靠性与实用性。装配型架刚度数据库系统解决了设计人员凭经验选择型材而导致设计不合理和设计质量低的问题，规范了设计手段，为结构的优化提供了理论的支撑，提高了设计质量和企业的竞争力，具有重要的实际意义。