飞机制造中的尺寸管理和容差仿真分析技术

张阎婷

[摘 要]在飞机装配过程中，零件制造误差及零组件装配定位误差会累积及传播，可能会导致飞机总体几何要求超差、由于对接裂缝不能控制在规定范围内，导致装配无法按照预定计划完成，这样就会导致误工甚至材料浪费，甚至危及到飞行安全，导致品牌效应消失，影响产品持续发展。

[关键词]飞机装配；容差分析；制造工艺

中图分类号：V262.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0002-01

随着我国经济发展水平的不断提高，市场竞争日趋激烈，为了节约成本、提高产品的品质、缩短产品开发与制造时间获得更高的经济利益与社会利益就要优化产品开发。面向装配设计（DFA）是并行工程中的重要技术，负责解决装配误差以及返工、报废等问题，使零件得到快速、及时装配。由此可见，合理对装配容差进行分配，合理优化设计工艺余量是提高飞机装配精准度的前提，同时也使支持无余量装配容差分析成为仿真技术发展的挑战。

1 飞机装配容差概述

航空制造方面，有效的装配公差能够一定程度上降低成本、提升整体装配的精准性以及各个部件的性能等，同时达到生产要求。通常会采用公差分析的方式来对产品的这方面内容进行检验。对于容差分析而言，传统的分析总是基于个人感官与经验来进行的，这在现如今看来具有一定的落后性与粗略性。为适应目前日益发展的航空机械制作领域，需要结合计算机辅助技术来进行分析。由于飞机对零件装配容忍度较小，故如何控制和提高装配精度已经成为飞机装配的重点和难点，优化装配误差已经成为了国内外飞机制造的重点方向。

2 飞机装配容差分析工作流程

循环迭代是飞机装配容差分析的过程：第一步是定义初始的容差分析基本输入，包括定义平面设计和平面几何容差方面的设计依据和要求，为了尽可能提高精度，避免容差过度累积，主要的工作内容包括：设计的容差控制、装配的容差控制以及零部件安装位置的容差控制等等。第二步运算其容差，当然包含有准确的容差分析计算目标还有实施容差累积计算；第三步依据那个已经算出来的结果，来判断是不大于目标要求还是与目标要求相差不大，也就是目标和要求能不能达到和满足，优化输入有没有必要。假若再次循环了，那就是有必要优化输入，循环是从第一部再开始；如果直接结束公差计算，那就无优化输入的必要了。

飞机计划基本和飞机几何容量差异需求、工作包计划基准础、工作包里面的几何容量差异需求、工作包界线限制容差需求、零组件计划基础和零组件几何容量差异需求由飞机研究设计单位定义。其中，飞机、工作包设计基准以及工作包控制容差要求、飞机容差要求都是由设计商负责管理的；工作包内部的几何容差需求、零组件设计标准及零组件几何容差需求通常由设计承包供应商承担规制与治理。

3 飞机装配容差分析关键技术研究

3.1 如何定义设计基准体系

从设计、工艺、测量3个方面看基准，可把基准分为3大类，即设计基准、工艺基准、测量基准。在本文中，除非特殊说明，所指基准为设计基准。飞机装配容差分析要求对应飞机产品结构树逐级创建基准，形成基准体系，也就是为整机、工作包、子装配件、零件都要相应地定义基准。基准锁定了零部件在空间里的6个自由度，用于确定零部件上点、线、面的位置，是形位公差的重要组成部分。飞机结构零部件上标注的几何尺寸与形位公差也就是GD&T大部分有基准要求。

有两种常用的定义基准的方法：第一种采用3-2-1方法创建三基面体系，也就是过三个点定义第一基准平面，过两个点垂直第一基准平面定义第二基准平面，过一个点垂直第一、第二基准平面定义第三基准平面。第二种是用一个平面、两个垂直于该平面的孔定义三基面体系，该平面为第一基准，一个孔为第二基准，另一个孔为第三基准。第一基准平面为该平面，第二基准平面过两个孔的轴线，第三基准平面过第二基准孔的轴线且垂直于第一、第二基准平面。

3.2 容差分析人员从飞机设计基准及飞机几何容差要求、工作包设计基准及工作包内部的几何容差要求、工作包界面控制容差要求定义文件中提取容差分析计算目标。容差分析计算目标通常是自上而下分配的几何关键特征，一般包括3个方面：（1）飞机的功能性目标，如为了使活动面运转灵活、无卡滞现象，定义的一些容差要求；（2）飞机的可装配性目标，如为了保证正常安装座椅组，对两座椅滑轨的距离尺寸有公差要求；（3）飞机的外观性目标，如相临行李箱安装后的阶差容差要求。

3.3 装配公差综合与分析

装配公差综合与分析，建立在飞机装配模型的基础上，以控制飞机最后装配形位精度为目标，通过人机交互确定装配公差封闭环后，通过约束图求解，可确定装配公差的组成环，并生成尺寸链，提取尺寸及公差信息。在此基础上，用最优化方法对装配尺寸公差进行综合与分析，使装配公差能合理地分配，以便提高其装配性能，从而降低装配成本。此外，还可以通过一些方法减少误差积累，增加装配精度：（1）增加“补偿环”设计。在装配性能分析中考虑到可能产生误差的环节，在每一个环节提出误差补偿方法，尽可能减少误差积累。（2）在装配中尽可能统一状态控制和测量的方法。由于不同的控制和测量方法引起的误差形式和误差大小不同，设计中应该进行考虑和协调，使公差产生和消除的形式简单而统一。

总结：国内航空领域越来越重视先进的装配容差分析技术，在设计与制造现代飞机时，它已经成为了不能缺少的一部分。主要對无余量装配容差建模技术进行了分析，描述了常见容差建模方法与飞机装配特点及存在的问题，通过结合装配树与容差建模提出一种无余量装配容差建模方法，构建出容差语义模型，明确了装配单元间约束关系、从属关系以及零部件余与容差间关系等。

参考文献

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