超大薄壁结构装配偏差场传播的精确预测与偏差源诊断

The deviation propagation in compliant assembly of the large closed thin-walled structure has three-dimensional field characteristic. The precision description of deviation is difficult due to the weak stiffness and large geometry nonlinear deformation of structure. It is very important to establish the model to describe the deviation and its propagation. In this project, the slope coordinates and high order interpolation shape function are introduced to describe the nonlinear deformation of large thin-walled structures. A new cambered plate element is proposed based on the absolute nodal coordinate formulation that circumvent the shear locking and Poisson locking problems in large deformation of structures. It can be used in the precision description of deviation of structures subjected to complex loads. Then, the mode and corresponding shape are calculated with the new elements. Some eigen shapes are used as the primary deformation bases. The deviation factors are computed to describe the deviation of large thin-plate structures. The deformation compatibility is analyzed during the assembly process. The deviation propagation model is proposed based on the deformation bases and deviation factors. The behavior and mechanism of the deviation propagation are studied for large closed thin-plate structures with various assembly modes. It is useful for the evaluation of manufacture quality and the deviation design of large closed thin-plate structures.

超大型薄壁结构几何偏差直接影响重型火箭、大型飞机等装备整体性能。由于大型构件变形呈现几何非线性、结构封闭造成构件偏差传递强耦合，现有薄壁结构装配偏差模型计算精度低，结构偏差预补偿困难；依靠“点对点”偏差敏度分析难以反映构件间整体偏差影响，装配偏差源诊断困难；导致这种超大型薄壁结构几何偏差控制不得不依赖反复的“试错”调试。本项目首先引入“绝对节点坐标法”及其斜率坐标描述大构件旋转变形，构造具有高阶形函数的新单元解决剪切自锁和泊松自锁问题，提高薄壁结构装配偏差分析精度。再借鉴结构动力学中模态分解思想，构造反映构件偏差的基本变形模式，提出基于变形基向量的构件偏差描述方法。引入子结构综合法，研究装配变形协调前后变形基间的关联模型及其正逆求解方法，正解中的变形基系数变化用以定量地描述构件偏差场的传播与累积，反解用以定量地分析影响装配结构偏差场的根源，为超大型薄壁结构装配偏差分析与诊断提供新方法。

超大薄壁结构是大型飞机、运载火箭等航空航天产品骨架，承载着产品中的主要静动载荷，薄壁结构尺寸精度直接影响产品的整机性能。由于大型构件变形呈现几何非线性、结构封闭造成构件偏差传递强耦合，现有薄壁结构装配偏差模型计算精度低，装配偏差计算及偏差源诊断困难，导致这种超大型薄壁结构几何偏差控制不得不依赖反复的“试错”调试。本项目基于绝对节点坐标法，引入可描述单元截面变形模式和提高其截面插值阶数的高阶斜率坐标，建立了具有高阶形函数的非规则曲面单元，解决了薄壁结构计算过程产生的剪切自锁和泊松自锁问题，提高了薄壁结构装配偏差分析精度。根据实际工程现场定义贮箱结构各部件的典型偏差形式及初始偏差表征方法，开展了装配变形协调仿真案例分析，研究了各构件装配过程中的偏差随初始偏差、装夹方式和几何尺寸等不同参数的变化规律。借鉴结构动力学中模态分解思想，构造了反映构件偏差的基本偏差模式，通过将实际零件的偏差向基本偏差场上投影，提出了基于偏差模式分解的大型薄壁结构偏差场描述方法，建立了基本偏差场表征精度评价指标，实现了大型薄壁构件偏差的精确表征。基于超大薄壁结构焊装过程变形协调关系，建立了装配变形协调前后变形基间的关联模型及其求解方法，采用变形基系数变化以定量地描述构件偏差场的传播与累积，通过贡献度和敏感度分析实现了装配偏差传递的精确预测与故障溯源。基于所提偏差表征与传递理论模型，针对火箭贮箱的典型结构，进行了超大薄壁封闭结构的偏差场表征及装配偏差预测，并与实际贮箱装配后测量数据进行对比，验证了采用基本偏差场进行超大薄壁封闭结构偏差描述与传递分析的合理性，为提高超大薄壁产品的装配偏差分析与制造质量控制提供了理论基础。