飞机装配工装结构分析与优化技术

飞机装配工装结构分析与优化技术
摘要：飞机零部件装配、最终装配和检验不可缺少的技术装备是飞机装配工装，对飞机的发展起着重要的作用。

在传统工艺中，飞机生产准备占飞机开发周
期的一半以上，工装设计和制造是飞机生产准备的主要组成部分之一。

工装的刚
度定位精度在飞机装配中起着非常重要的作用，直接影响到认证产品的装配。

关键词：飞机装配；工装设计；关键技术
飞机是现代经济发展和发展的主要因素，在设计和开发中，为了提高飞机终
装配性能，及时控制结构部件的装配结构，确保结构部件的控制，为装配控制技
术的综合应用奠定了基础。

一、飞机装配工装概念
与常规的机械产品不同,飞机的产品结构和工作环境特殊。

其产品需要高精度,低刚度,大尺寸,许多零件和薄壁结构。

为了保证飞机装配的准确性和产品互
换的协调,在飞机装配过程中使用了特殊的生产设备,即飞机装配工装。

飞机装配
工装是飞机装配过程中需要定位的大型机械夹具,以保证飞机产品在空间中装配
的可互换性、协调性和准确性。

飞机装配工装设计通过设计规划、概念设计、详
细设计和更改设计来实现,设计规划是初步拟定,概念设计是产品轮廓设计,是装
配的决定性因素,设计集成,快速装配布局,为详细装配步骤提供了良好的基础。

设计建模是后期查询和引用的重要部分。

二、飞机装配工装国内外研究现状
目前我国飞机装配主要依靠经验和类似设计，设备设计不合理，整体水平相
对落后，性能良好。

虽然采用了CATIA应用设计等CAD技术，但CAE技术并未得
到充分利用，仅对设备的关键部件进行了测试和验证，对设备设计进行了一些修改。

与西方先进的飞机相比，它拥有大量的工具，质量高，生产周期长，成本高，质量不足和质量过剩，阻碍了产品装配质量的提高和飞机制造业的发展。

波音
(Boeing)和达索(Dassault)等国际飞机制造商一直在进行飞机数字化制造的技术
研究和并行项目，大大缩短了生产周期和生产成本。

波音公司在其MSC设计过程
中使用CATIA 3D实体建模工具。

Patran和Nastran使用几何建模界面来应用详
细的网格、载荷和边界条件，然后根据分析结果执行硬度分析，直到满足要求。

结合飞机的生命周期管理，达索系统将设计过程分为三个阶段，根据不同类型工
具的设计特点和使用情况，从设计、功能设计和详细设计等方面制定系统工具设
计方法和标准，并在仿真CATIA v4系统硬度和变形参数的基础上创建专用设计
平台，最大限度地提高刚度、重量和制造成本。

国内外研究人员对该设计进行了
专门的研究，例如，为了保证和提高飞机工装中使用的硬度，对强度、尺寸、结
构形状、结构布局和骨架各个方面进行了研究，设计方法满足了工作条件、定位
和伸长的要求。

作为产品硬度和伸长率综合研究的一部分，提出了确定工装夹具
硬度的最佳方法。

国内一些飞机制造商在工具设计过程中引入了有限元分析和质
量控制的方法，但由于缺乏专业的分析设备和智能优化工具，分析和调试过程受
到经验的限制，不能保证分析结果的真实性和准确性。

优化技术主要是手动的，
需要大量的修改，设计周期长，原则上不能解决非常小或过多的设计问题。

为了
使工装具有足够的硬度而不是过高的硬度，必须在设计中分析和优化工装结构的
硬度，采用有限元法可以有效解决这一复杂问题。

三、优化设计
1.优化工装问题描述。

飞机装配工装优化满足了严格的设计要求，自动选择
了工装设计特点，降低了最小设计重量，降低了生产成本，缩短了工具开发周期。

用于制造飞机的工具主要由骨架和定位夹紧。

骨架是飞机工装基础，也是决定工
装硬度的因素，因此工装结构设计的优化主要包括以下三个方面:考虑到开敞性
飞机入架、出架和装配要求，优化不考虑工装布局的变化，骨架梁的抗弯强度仅
取决于几何形状和尺寸。

由于必须使用标准构件，因此结构构件的最佳设计是尺
寸和尺寸变量之间的关系。

要做到这一点，首先必须材规格库。

设计变量的规格
编号。

每个编号对应标准模型中的多个尺寸参数，优化每个模型的设计，并为相
应的规格选择最小和最精确的结构。

在设计飞机工装时，必须考虑产品的自装配
工艺和相应载荷条件，工装刚度必须满足不同条件下的设计要求。

在优化中，这
些设计约束通常称为位置约束。

也就是说，在两种方法的适当条件下，最大位置
位移不超过指定的极限。

最后，定义目标函数。

虽然工结构在产品自装配和装配
中有所不同，但许多设计标准可以用来解决优化问题，而飞机组装装配工装结构
的优化满足所有模型要求和运行条件，以达到最小最终重量。

2.飞机装配工装优化的一种遗传算法。

是离散变量优化问题数学上的组合优
化问题，组合的数目随着设计变量的增加而迅速增加，遗传算法是一种基于自然
进化的随机搜索算法，适用于求解离散变量的优化问题
四、飞机装配工装设计中的向导同步映射技术
1.加权有向的工装。

是飞机装配设计中最重要的一点，设计差距大，提高了
整体设计能力，装配设计是整体设计的关键，及时衡量相应的装配设计。

同时，
在装配设计过程中，确保设计过程中的单位分配符合设计装配的设计任务，设计
过程的时间分配和相应的设计原则可以为飞机装配结构设计提供依据。

2.结构矩阵加权有向设计。

设计矩阵是整个结构设计能力的基础，为了提高
结构设计能力，保证结构设计的及时性，可以在装配结构的设计中实现相应的矩
阵表示，以满足模型的控制要求。

一般来说，设计有向结构，相应的设计主要是
飞机装配，资源库、设计任务计划、设计矩阵和多色设计的集合，以及相应的加
权有向图。

3.过程重组算法设计。

设计过程也包含在飞机的装配设计中，设计工装装配
以设计为中心，根据设计装配式结构，设计过程起到总体设计方案的作用，设计
方案必须按照设计方案的技术要求进行处理矩阵分解。

此外，分解算法应根据矩
阵设计的要求进行，控制撕裂式过程的设计要素，及时设计相应的算法，严格观
察飞机装配结构在装配结构中的施工，组织工装的装配结构。

以这种方式再现工
装设计可以提高装配设计的性能。

飞机装配工装是飞机装配技术发展的重要组成部分，也是飞机装配技术发展
的瓶颈，引起了国内外大型飞机制造商的关注。

通过有效应用有限元分析方法和
结构优化方法，在CAD模型的基础上形成了快速的过程自动化过程，简化了仿真，网格，结构和设计优化，保证了工装结构的刚性，缩短了开发周期，提高了设计
质量。

参考文献：
［1］涂宝丹.面向快速设计的装配工装管理系统的研究［J］.中国制造业信息化，2021，37（1）：1-4，9.
［2］涂天江.支持敏捷定制的工装管理系统研究［J］.中国制造业信息化，2021，38（7）：10-14.
［3］侯成.工装全生命周期管理关键技术研究与实现［D］.西安：西北工业大学，2021.
［4］裴天建.基于PDM的航空企业工装管理系统研究［J］.机械与电子，2021（9）：54-57.。