论文部分内容阅读
薄壁件广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域中，其中，航空薄壁件(Aeronautical Sheet Metal Part，ASMP)更是由于尺寸大、厚度薄、刚度差，在制造过程中存在难定位、易变形、外形准确度难以保证等问题。工程中一般采用工装夹具来控制ASMP在加工、装配和检测等制造工艺过程中的变形，保障ASMP的定位精度及外形准确度，然而夹具的设计主要依赖经验，缺乏科学的理论指导。合理高效地进行夹具设计是减少航空薄壁件制造变形，提高薄壁件制造精度与效率的重要途径。对于ASMP夹具设计，其核心任务就是如何确定最优定位布局使得薄壁件在制造过程中变形最小，同时能够满足设计效率高、设计周期短的要求。
针对上述问题，本文以航空薄壁件设计特征为先验约束，以控制变形为目标求解夹具定位布局，提出了基于先验约束的ASMP夹具定位布局规划方法，并构建了面向航空薄壁件的“(N1+N2)-2-1”定位准则，开发了夹具定位布局规划原型系统，研制了多点柔性定位实验验证平台，验证了本论文所提方法的有效性和正确性。基于“(N1+N2)-2-1”定位准则，研究关键定位特征先验约束下结合代理模型与进化算法的ASMP夹具定位布局规划技术，在实现夹具定位布局优化的同时减少有限元计算时间，能够满足ASMP制造过程的控制变形要求，同时提升夹具设计效率。全文主要研究内容及成果如下：
1)针对航空薄壁件夹具定位布局设计问题，提出了基于先验约束的ASMP定位布局规划方法，构建了面向航空薄壁件的“(N1+N2)-2-1”定位准则。在“N-2-1”定位原理的基础上，将航空薄壁件第一基准面的N个定位点分为关键特征定位点N1和控制变形定位点N2；通过定位特征的识别与优选确定关键特征定位点N1，并以此作为先验约束对控制变形定位点N2布局进行优化设计，从而构建了基于“(N1+N2)-2-1”定位准则的结合定位特征识别与优选、代理模型及进化算法的航空薄壁件夹具定位布局总体规划方法。
2)通过对航空薄壁件定位特征进行分析与建模，提出了结合属性邻接图、自定义规则与层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)的ASMP定位特征识别与优选方法。在分析ASMP定位特征属性的基础上，建立了航空薄壁件元组定位特征模型；将薄壁件MBD模型中拓扑关系表示为面边属性邻接图，对属性邻接图中的定位特征进行识别提取；以定位特征的几何及物理信息作为判断依据，自定义规则完成定位特征分类；基于AHP计算各候选定位特征对目标关键定位特征的隶属程度，分析各组合权重值，实现对定位特征排序并确定关键定位特征。
3)以关键定位特征为先验约束，对航空薄壁件控制变形定位点布局进行优化设计，构建了FPA-SVR预测代理模型，并提出了基于花授粉算法(Flower Pollination Algorithm， FPA)的支持向量回归(Support Vector Regression，SVR)参数优化方法。应用FPA对SVR的超参数组合进行优化，建立增强型FPA-SVR代理模型，并通过标准数据集进行算例分析；以关键定位特征为先验约束，建立航空薄壁件定位参数化有限元模型，结合拉丁超立方试验设计(Latin Hypercube Design，LHD)生成SVR训练样本和测试样本；通过学习有限样本集，构建航空薄壁件先验约束下控制变形定位点布局FPA-SVR预测代理模型。
4)提出了基于FPA-SVR代理模型与NSGA-II进化算法的航空薄壁件夹具定位布局多目标优化方法。以航空薄壁件先验约束下控制变形定位点布局为设计变量，以最小化薄壁件受载条件下的变形指标为多重优化目标，建立了ASMP定位布局多目标优化数学模型；在FPA-SVR代理模型的基础上，应用NSGA-II进化算法搜索航空薄壁件定位布局Pareto最优解集，为ASMP定位布局多目标优化设计提供理论指导。
最后，设计了一种航空薄壁件柔性夹具定位布局规划实验验证方案，开发了基于先验约束的航空薄壁件定位布局规划原型系统，研制了面向曲面薄壁件的多点柔性定位实验平台；以全文应用实例中的飞机中机身蒙皮比例件作为实例，通过对比分析实验数据与理论计算结果，验证了本论文所提航空薄壁件定位布局规划方法的可行性和正确性。
针对上述问题，本文以航空薄壁件设计特征为先验约束，以控制变形为目标求解夹具定位布局，提出了基于先验约束的ASMP夹具定位布局规划方法，并构建了面向航空薄壁件的“(N1+N2)-2-1”定位准则，开发了夹具定位布局规划原型系统，研制了多点柔性定位实验验证平台，验证了本论文所提方法的有效性和正确性。基于“(N1+N2)-2-1”定位准则，研究关键定位特征先验约束下结合代理模型与进化算法的ASMP夹具定位布局规划技术，在实现夹具定位布局优化的同时减少有限元计算时间，能够满足ASMP制造过程的控制变形要求，同时提升夹具设计效率。全文主要研究内容及成果如下：
1)针对航空薄壁件夹具定位布局设计问题，提出了基于先验约束的ASMP定位布局规划方法，构建了面向航空薄壁件的“(N1+N2)-2-1”定位准则。在“N-2-1”定位原理的基础上，将航空薄壁件第一基准面的N个定位点分为关键特征定位点N1和控制变形定位点N2；通过定位特征的识别与优选确定关键特征定位点N1，并以此作为先验约束对控制变形定位点N2布局进行优化设计，从而构建了基于“(N1+N2)-2-1”定位准则的结合定位特征识别与优选、代理模型及进化算法的航空薄壁件夹具定位布局总体规划方法。
2)通过对航空薄壁件定位特征进行分析与建模，提出了结合属性邻接图、自定义规则与层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)的ASMP定位特征识别与优选方法。在分析ASMP定位特征属性的基础上，建立了航空薄壁件元组定位特征模型；将薄壁件MBD模型中拓扑关系表示为面边属性邻接图，对属性邻接图中的定位特征进行识别提取；以定位特征的几何及物理信息作为判断依据，自定义规则完成定位特征分类；基于AHP计算各候选定位特征对目标关键定位特征的隶属程度，分析各组合权重值，实现对定位特征排序并确定关键定位特征。
3)以关键定位特征为先验约束，对航空薄壁件控制变形定位点布局进行优化设计，构建了FPA-SVR预测代理模型，并提出了基于花授粉算法(Flower Pollination Algorithm， FPA)的支持向量回归(Support Vector Regression，SVR)参数优化方法。应用FPA对SVR的超参数组合进行优化，建立增强型FPA-SVR代理模型，并通过标准数据集进行算例分析；以关键定位特征为先验约束，建立航空薄壁件定位参数化有限元模型，结合拉丁超立方试验设计(Latin Hypercube Design，LHD)生成SVR训练样本和测试样本；通过学习有限样本集，构建航空薄壁件先验约束下控制变形定位点布局FPA-SVR预测代理模型。
4)提出了基于FPA-SVR代理模型与NSGA-II进化算法的航空薄壁件夹具定位布局多目标优化方法。以航空薄壁件先验约束下控制变形定位点布局为设计变量，以最小化薄壁件受载条件下的变形指标为多重优化目标，建立了ASMP定位布局多目标优化数学模型；在FPA-SVR代理模型的基础上，应用NSGA-II进化算法搜索航空薄壁件定位布局Pareto最优解集，为ASMP定位布局多目标优化设计提供理论指导。
最后，设计了一种航空薄壁件柔性夹具定位布局规划实验验证方案，开发了基于先验约束的航空薄壁件定位布局规划原型系统，研制了面向曲面薄壁件的多点柔性定位实验平台；以全文应用实例中的飞机中机身蒙皮比例件作为实例，通过对比分析实验数据与理论计算结果，验证了本论文所提航空薄壁件定位布局规划方法的可行性和正确性。