CN113158334B - 一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法 - Google Patents
一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法,首先通过简化航空发动机机匣装配工艺,使影响机匣装配质量的因素包括止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差、螺栓预紧力大小和机匣零件制造偏差;然后将两段机匣简化模型在装配工装上通过止口螺栓配合连接在一起后,求出单工位下,上述各因素对径向跳动测点和端面跳动测点的偏差值,最后加上机匣零件制造偏差,获得单工位下两段机匣的装配总偏差表达式;建立机匣多工位装配偏差传递模型,获得航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式,即可得到机匣假装完成后,测点的端面跳动与径向跳动值,实现航空发动机机匣假装质量预测。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机装配领域,涉及一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法,可用于机匣假装过程中端面跳动量和径向跳动量大小的预测,以评价航空发动机机匣的装配质量。
背景技术
航空发动机的机匣是连接发动机转子和发动机其他部件的主要承力结构。在装配过程中,由于每个机匣零件的偏差分布是随机的,其装配后的发动机机匣结构特性具有分散度,其最终结果是对整机性能产生影响。此外,航空发动机机匣装配具有典型的弱刚性易变形的特点,影响装配质量的因素除装配过程中的刚性运动外,还有机匣装配过程中产生的变形,这极大地增加了发动机零部件装配过程的精准调控难度。
目前对于机匣装配质量的掌握主要通过机匣的“假装”,机匣“假装”是对机匣在气浮转台上进行预装配,然后测量机匣的装配质量,合格后进行拆解,费时费力。
发明内容
航空发动机机匣装配具有典型的弱刚性易变形的特点,影响装配质量的因素除装配过程中的刚性运动外,还有机匣装配过程中产生的变形,这极大地增加了发动机零部件装配过程的精准调控难度。因此合理有效的数字化假装分析对于***机匣装配质量,减少甚至取消机匣实际生产中的“假装”环节,节省装配时间和成本,具有重要意义。基于此,本发明提供了一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法,可用于机匣假装过程中端面跳动和径向跳动量大小的预测,以评价航空发动机机匣的装配质量。
本发明提供了一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法,包括如下步骤:
S1:简化航空发动机机匣装配工艺,使影响机匣装配质量的因素包括止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差、螺栓预紧力大小和机匣零件制造偏差,然后采用等刚度法建立机匣简化模型,简化后的机匣为带止口的筒形件;
S2:获得单工位下两段机匣的装配总偏差表达式,包括如下过程:
将两段机匣简化模型在装配工装上通过止口螺栓配合连接在一起后,求出单工位下,止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差和螺栓预紧力大小各因素对径向跳动测点和端面跳动测点的偏差值,最后加上机匣零件制造偏差,获得单工位下两段机匣的装配总偏差表达式;
S3:建立机匣多工位装配偏差传递模型,获得航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式,包括如下过程:
当两段机匣组成的机匣装配体与第三段机匣装配时,所述机匣装配体被当作一个机匣,其对应的机匣零件制造偏差为所述机匣装配体的装配偏差,按照柔性机匣零件的装配过程,第三段机匣通过止口过盈配合和所述机匣装配体的机匣后止口贴合,然后将第三段机匣和所述机匣装配体通过止口螺栓配合连接在一起,按照步骤S2中所述方法,获得三段机匣的装配偏差,之后,以同样的方法,完成所有机匣的装配,获得航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式;
S4:将机匣止口柱面的几何偏差与尺寸偏差、止口端面的几何偏差、工装定位偏差、螺栓预紧力大小数据,代入步骤S3中获得的航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式,得到机匣假装完成后端面跳动测点值与径向跳动测点值,实现航空发动机机匣假装质量预测。
进一步,步骤S1中将航空发动机机匣装配工艺简化等效为如下步骤:
a)将机匣1放到装配工装上按照自身定位方式进行定位;
b)通过止口过盈配合将机匣1与机匣2进行配合连接,保证两机匣的止口柱面处于贴合状态;
c)施加夹紧力,保证两机匣的止口端面处于贴合状态;
d)进行螺栓连接,螺母刚好拧到和两机匣相接触但没有拧紧,螺栓预紧力恰好为0,此时螺栓仅实现物理连接,螺栓和两机匣都不受力,无螺栓连接变形;
e)释放夹紧力,两机匣组成的装配体产生回弹;
f)施加螺栓预紧力,完成螺栓拧紧操作,螺栓连接引起变形,形成两机匣的最终装配偏差。
进一步,步骤S2具体包括如下子步骤:
S21:建立单工位下止口过盈配合量大小对装配质量的影响模型,止口过盈配合量由机匣止口柱面的尺寸偏差产生,建模方法如下:
建立机匣1和机匣2单位过盈量的三维模型,进行有限元计算,两机匣过盈配合完成后,在机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n上产生的偏差为在机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m上产生的偏差为n表示相邻两机匣的端面贴合点个数;m表示相邻两机匣的柱面贴合点个数;当机匣1和机匣2两机匣配合的止口柱面的尺寸偏差过盈量为l2时,在机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n产生的偏差为径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m产生的偏差为
S22:建立止口过盈配合量不均匀度对装配质量的影响模型,止口过盈配合量不均匀度由机匣止口柱面的几何偏差产生,建模方法如下:
通过单位力响应法求出机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP1m和机匣2的柱面贴合点CP21,CP22,…,CP2m的位移响应向量组成的柔度矩阵;对该柔度矩阵进行逆转换,得出刚度矩阵;最后通过单位位移响应法求出:
其中,表示由机匣1的止口柱面的几何偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣1的柱面贴合点CP1j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣1的柱面贴合点CP1i点上的实际偏差;为两机匣装配体的径向跳动测点偏差对机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP1m偏差的敏感度矩阵;为机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP1m的实际偏差组成的向量;r表示测点在径向的偏差;
其中,表示由机匣1的止口柱面的几何偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣1的柱面贴合点CP1j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣1的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;x表示测点在轴向的偏差;
其中,表示由机匣2的止口柱面的几何偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣2的柱面贴合点CP2j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣2的柱面贴合点CP2i点上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对机匣2的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;为机匣2的柱面贴合点CP21,CP22,…,CP2m的实际偏差组成的向量;
其中,表示由机匣2的止口柱面的几何偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣2的柱面贴合点CP2j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上产生的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣2的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;
S23:建立螺栓连接对装配质量的影响模型,建模方法如下;
通过单位力响应法求出机匣1的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n和机匣2的端面贴合点JP21,JP22,…,JP2n的位移响应向量组成的柔度矩阵;对该柔度矩阵进行逆转换,得出刚度矩阵;最后通过单位位移响应法求出:
其中,表示由机匣1的止口端面偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣1的端面贴合点JP1j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣1的端面贴合点JP1j上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对机匣1的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;为机匣1的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n的实际偏差组成的向量;
其中,表示由机匣1的止口端面偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣1的端面贴合点JP1j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣1的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;
其中,表示由机匣2的止口端面偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣2的端面贴合点JP2j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣2的端面贴合点JP2j上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对机匣2的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;为机匣2的端面贴合点JP21,JP22,…,JP2n的实际偏差组成的向量;
其中,表示由机匣2的止口端面偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣2的端面贴合点JP2j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣2的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;
S24:建立装配工装定位偏差对装配质量的影响模型,定位点LP11,LP12,…,LP1l的偏差不会直接对测点偏差产生影响,l表示定位点个数,而是先把偏差传递到机匣1的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n,再通过止口过盈配合传递到机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n与径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m,从而引起测点偏差,机匣装配工装存在的偏差为则机匣定位后,得到机匣1的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n由于装配工装定位偏差产生的偏差为:
其中,表示由机匣1的定位点偏差在其端面贴合点JP1i的轴向上产生的偏差;为在机匣1的定位点LP1j上产生单位位移时,机匣1的端面贴合点JP1i在轴向上的位移响应;为机匣1的定位点LP1i点上的实际偏差;为机匣1端面贴合点偏差对夹具定位偏差的敏感度矩阵;为机匣1的定位点LP11,LP12,…,LP1l的实际偏差组成的向量,
S25:建立螺旋预紧力对装配质量的影响模型;
在第j,j=1,2,...,n处螺栓连接施加预紧力,然后进行有限元计算,得到机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n的位移变化量{e1j,e2j,…,enj}T,在所有螺栓连接处均依次施加大小F2j的预紧力,则由螺栓预紧力在机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n处产生的偏差为:
其中,表示由螺栓预紧力在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在第j处螺栓施加单位预紧力时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;F2j,j=1,2,...,n表示第j处螺栓预紧力实际大小;为由各螺栓连接点施加单位预紧力时,在机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n产生的偏差矩阵;{F2}为预紧力的大小组成的向量;
其中,表示由螺栓预紧力在机匣2的径向跳动测点MP2i的径向上产生的偏差;为在第j处螺栓施加单位预紧力时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为由各螺栓连接点施加单位预紧力时,在机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m产生的偏差矩阵;
S26:建立单工位下止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差、螺栓预紧力大小和机匣零件制造偏差对综合装配质量的影响模型,得到:
当机匣1和机匣2两段机匣装配时,机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m的装配偏差{UMP,2}的综合表达式为:
机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n的装配偏差的综合表达式为:
进一步,步骤S3具体过程如下:
当机匣1和机匣2两机匣组成的装配体与机匣3装配时,机匣3的径向跳动测点MP31,MP32,…,MP3m的装配偏差{UMP,3}的表达式为:
其中,为机匣3的径向跳动测点的制造偏差;l3为装配机匣3的过盈量;为单位过盈量在机匣3的径向跳动测点产生的偏差;为机匣1和机匣2装配完成后,机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m的偏差对机匣3的径向跳动测点的装配偏差;为机匣3的柱面几何偏差对其径向跳动测点的装配偏差;为机匣1和机匣2完成后,机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n的偏差对机匣3的径向跳动测点的装配偏差;为机匣3的端面贴合点偏差对机匣3的径向跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对机匣3的径向跳动测点产生的偏差;
机匣3的端面跳动测点NP31,NP32,…,NP3n的装配偏差{UNP,3}的表达式为:
其中,为机匣3的端面跳动测点的制造偏差;为单位过盈量在机匣3的端面跳动测点产生的偏差;为机匣1和机匣2装配完成后,机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m的偏差对机匣3端面跳动测点的装配偏差;为机匣3的柱面几何偏差对机匣3的端面跳动测点的装配偏差;为机匣1和机匣2装配完成后,机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n偏差对机匣3的端面跳动测点的装配偏差;为机匣3的端面贴合点偏差对机匣3的端面跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对机匣3的端面跳动测点产生的偏差;
完成z段机匣的总装配过程后,形成最终的径向跳动测点的装配偏差{UMP,z}的表达式为:
其中,为机匣z的径向跳动测点的制造偏差;lz为装配机匣z的过盈量;为单位过盈量在机匣z的径向跳动测点产生的偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的径向跳动测点对机匣z的径向跳动测点的装配偏差;为机匣z的柱面几何偏差对机匣z的径向跳动测点的装配偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的端面跳动测点偏差对机匣z的径向跳动测点的装配偏差;为机匣z的端面贴合点偏差对机匣z的径向跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对机匣z的径向跳动测点产生的偏差;
最终的端面跳动测点的装配偏差{UNP,z}的表达式为:
其中,为机匣z的端面跳动测点的制造偏差;为单位过盈量在机匣z的端面跳动测点产生的偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的径向跳动测点偏差对机匣z的端面跳动测点的装配偏差;为机匣z的柱面几何偏差对机匣z的端面跳动测点的装配偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的端面跳动测点偏差对机匣z的端面跳动测点的装配偏差;为机匣z的端面贴合点偏差对机匣z的端面跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对机匣z的端面跳动测点产生的偏差。
本发明的有益效果:
对于同一种型号的机匣,本发明所述方法中的敏感度矩阵只需求解一次,减少计算过程;本方法可以对机匣的装配质量进行预测,输入机匣零件的制造偏差、工装定位偏差、螺栓预紧力大小,就可以计算可得出机匣的端面跳动和径向跳动数据,进而可以反映机匣的装配质量,计算效率高,节约成本。
附图说明
图1为本发明实施例的两段机匣零件简化模型装配图;
图2为本发明实施例的机匣1的定位点及测点图;
图3为本发明实施例的机匣2的定位点及测点图;
图4为机匣零件实际止口柱面截面图。
附图中:
1-机匣1;2-机匣2;3-装配工装;4-螺栓;5-螺母;6-机匣止口柱面的名义尺寸;7-机匣止口柱面的尺寸偏差;8-机匣止口柱面的几何偏差;
LP11,LP12,…,LP17,LP18为机匣1上的定位点;
JP11,JP12,…,JP17,JP18为机匣1上与机匣2止口配合的端面贴合点,简称机匣1的端面贴合点;
JP21,JP22,…,JP27,JP28为机匣2上与机匣1止口配合的端面贴合点,简称机匣2的端面贴合点;;
CP11,CP12,…,CP17,CP18为机匣1上与机匣2柱面止口配合的柱面贴合点,简称机匣1的柱面贴合点;;
CP21,CP22,…,CP27,CP28为机匣2上与机匣1柱面止口配合的柱面贴合点,简称机匣2的柱面贴合点;;
MP21,MP22,…,MP27,MP28为装配完成后机匣2的径向跳动测点;
NP21,NP22,…,NP27,NP28为装配完成后机匣2的端面跳动测点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。在本实施例中,相邻两机匣的端面贴合点个数、相邻两机匣的柱面贴合点个数以及定位点个数均为8。具体地,本发明实施例提供的一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法,包括如下步骤:
S1:简化航空发动机机匣装配工艺,使影响机匣装配质量的因素包括止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差、螺栓预紧力大小和机匣零件制造偏差,然后在保证结构力学关系不变的前提下,采用等刚度法对航空发动机机匣模型进行局部简化,保留其参与承力的主要结构元素,重点关注机匣零件之间的配合面。简化完成的机匣为带止口的筒形件,如图1-4所示。
将机匣的装配过程可以简化等效为以下六个步骤:
a)将一机匣放到工装上按照自身定位方式进行定位;
b)通过止口过盈配合将该机匣与另一机匣进行配合连接,保证两机匣的止口柱面处于贴合状态;
c)施加夹紧力,保证两机匣的止口端面处于贴合状态;
d)进行螺栓连接,螺母刚好拧到和两机匣相接触但没有拧紧,螺栓预紧力恰好为0,此时螺栓仅实现物理连接,螺栓和两机匣都不受力,无螺栓连接变形;
e)释放夹紧力,两机匣组成的装配体产生回弹;
f)施加螺栓预紧力,完成螺栓拧紧操作,螺栓连接引起变形,形成两机匣的最终装配偏差。
根据上述装配工艺,影响装配质量的因素包括止口过盈配合量大小及不均匀程度、工装定位偏差、零件制造偏差、螺栓预紧力大小。
S2:单工位下两段机匣的装配质量预测,即将机匣1和机匣2在装配工装上通过止口螺栓配合连接在一起后,获得机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28和端面跳动测点NP21,NP22,…,NP27,NP28的偏差值。具体包括如下步骤:
S21:建立单工位下止口过盈配合量大小对装配质量的影响模型
止口过盈配合量是由尺寸偏差7产生的。建立机匣1和机匣2单位过盈量的三维模型,进行有限元计算,过盈配合完成后在机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP27,NP28上产生偏差记为在径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28产生的偏差记为当两机匣配合的尺寸偏差产生的过盈量为l2时,由于l2是小过盈量,符合线性关系,在测点上实际产生的偏差应为上述偏差的l2倍,即在端面跳动测点产生的偏差为在径向跳动测点产生的偏差为
S22:建立止口过盈配合量不均匀度对装配质量的影响模型
止口过盈配合量不均匀度由止口柱面的几何偏差8产生,止口柱面几何偏差8对装配偏差的影响可以通过影响系数法求解。关键在于得到装配测点偏差与零件柱面贴合点几何偏差的线性关系,该关系可以用敏感度矩阵表示。具体方法是通过单位力响应法求出端面贴合点的位移响应向量组成的柔度矩阵。对柔度矩阵进行逆转换,得出刚度矩阵。最后通过单位位移响应法求出在机匣柱面贴合点产生单位偏差时,装配体测点产生的偏差即为敏感度矩阵。以机匣1的止口柱面几何偏差对装配体测点偏差的影响为例(机匣2与之类似),介绍分析方法。
机匣止口过盈配合完成后,机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP17,CP18与机匣2的柱面贴合点CP21,CP22,…,CP27,CP28贴合,在机匣1的一个柱面贴合点上施加一个沿半径方向的单位力,进行有限元仿真计算,得出所有柱面贴合点在半径方向的位移响应。可以写成一个1×8的向量,在所有贴合点均依次施加单位力,则在柱面贴合点的位移响应向量可以组成一个8×8的矩阵[D]。对矩阵[D]进行逆转换,可求解出刚度矩阵[K]。
将刚度矩阵第j列向量对应的力施加在柱面贴合点上,即当机匣1的某个柱面贴合点CP1j产生沿半径方向的单位偏差时,通过有限元模拟仿真,可得到机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28在半径方向的偏差为若柱面贴合点CP1j的偏差为则引起机匣装配体柱面跳动测点的装配偏差为:
测点处的偏差是各个贴合点引起偏差源的叠加和,因此当机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP17,CP18的实际偏差为时,机匣2的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28产生的偏差为:
其中,表示由机匣1的止口柱面的几何偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣1的柱面贴合点CP1j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣1的柱面贴合点CP1i点上的实际偏差;为两机匣装配体的径向跳动测点偏差对机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP17,CP18偏差的敏感度矩阵;为机匣1的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP17,CP18的实际偏差组成的向量;r表示测点径向的偏差。
同理可得,机匣1的止口柱面几何偏差对机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP27,NP28产生的偏差为:
其中,表示由机匣1的止口柱面的几何偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣1的柱面贴合点CP1j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣1的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;x表示测点轴向的偏差。
机匣2的止口柱面的几何偏差对其径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28产生的偏差为:
其中,表示由机匣2的止口柱面的几何偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣2的柱面贴合点CP2j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣2的柱面贴合点CP2i点上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对机匣2的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;为机匣2的柱面贴合点CP21,CP22,…,CP27,CP28的实际偏差组成的向量。
机匣2的止口柱面的几何偏差对端面跳动测点NP21、NP22、…、NP27、NP28产生的偏差为:
其中,表示由机匣2的止口柱面的几何偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣2的柱面贴合点CP2j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上产生的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣2的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵。
S23:螺栓连接对装配质量的建模方法
螺栓连接对装配偏差的建模,主要是两机匣配合部位,端面贴合点JP11,JP12,…,JP17,JP18与JP21,JP22,…,JP27,JP28的端面偏差对最终装配偏差的影响。要建立螺栓连接对测点装配偏差的模型,关键在于求解出柔性件装配测点偏差与零件过盈配合端面贴合点输入偏差的线性关系,同步骤S22类似,也是通过单位力响应法求出端面贴合点的位移响应向量组成的柔度矩阵。对柔度矩阵进行逆转换,得出刚度矩阵.最后通过单位位移响应法求出:
其中,表示由机匣1的止口端面偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣1的端面贴合点JP1j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣1的端面贴合点JP1j上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对机匣1的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;为机匣1的端面贴合点的实际偏差组成的向量。
其中,表示由机匣1的止口端面偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣1的端面贴合点JP1j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣1的端面贴合点偏差的敏感度矩阵。
其中,表示由机匣2的止口端面偏差在机匣2的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;为在机匣2的端面贴合点JP2j上产生单位位移时,机匣2的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为机匣2的端面贴合点JP2j上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对机匣2的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;为机匣2的端面贴合点的实际偏差组成的向量。
其中,表示由机匣2的止口端面偏差在机匣2的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;为在机匣2的端面贴合点JP2j上产生单位位移时,机匣2的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对机匣2的端面贴合点偏差的敏感度矩阵。
S24:建立工装定位偏差对装配质量的影响模型
装配工装定位点LP11,LP12,…,LP17,LP18偏差不会直接对测点偏差产生影响,而是先传递到与机匣2配合的端面贴合点JP11、JP12、…、JP17、JP18与柱面贴合点CP11,CP12,…,CP17,CP18,再通过止口过盈配合传递到径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28与端面跳动测点NP21,NP22,…,NP27,NP28,从而引起测点偏差。因此先通过影响系数法得出在止口端面贴合点与柱面贴合点产生的偏差,再分别代入步骤S22和S23,即可得到装配完成后,工装定位偏差在测点产生的装配偏差。定义机匣定位工装存在的偏差为则柔性机匣零件经过定位后,可以得到机匣1端面贴合点由于夹具定位偏差产生的偏差为(其中求解方法与步骤S22中一致)。
S25:建立螺栓预紧力对装配质量的影响模型
在第j处螺栓连接施加一个1KN的预紧力,然后进行有限元计算,得到端面跳动测点的位移变化量,可以写成一个向量:{e1j,e2j,…,e7j,e8j}T,
在所有螺栓连接处均依次施加大小为F2j(j=1,2,…,8)的预紧力,则由螺栓预紧力在端面跳动测点处产生的偏差为:
同理可得由螺栓预紧力在径向跳动测点处产生的偏差为:
S6:建立单工位下各因素综合对装配质量的影响模型
在柔性机匣件装配完成后,测点的偏差除了受止口过盈配合、螺栓连接和夹具定位偏差和螺栓预紧力的影响外,还受到测点自身的制造偏差影响。综合前面的步骤,可以得出当两段机匣装配时,柱面径向跳动测点MP21,MP22,…,MP27,MP28的装配偏差的综合表达式为:
机匣2的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP27,NP28的装配偏差的综合表达式为:
S3:机匣零件多工位装配偏差传递建模
当两段机匣组成的装配体与第三段机匣装配时,该装配体被当作一个零件,此时零件的制造偏差为该装配体的装配偏差。按照柔性机匣零件的装配过程,第三段机匣零件通过止口过盈配合和装配好的机匣的后止口贴合,然后通过螺栓连接方式将机匣零件连接在一起,分析过程与两段机匣装配类似,可以得到径向跳动测点MP31,MP32,…,MP37,MP38的装配偏差的表达式为:
端面跳动测点NP31,NP32,…,NP37,NP38的装配偏差的表达式为:
同样的,z-1段机匣装配完成后,当继续装配第z段机匣时,把z-1段机匣组成的装配体当做一个零件,该零件的制造偏差为z-1个零件的装配偏差,完成与第z段机匣的装配过程后,形成最终的径向跳动测点的装配偏差的表达式为:
其中,为机匣z的径向跳动测点的制造偏差;lz为装配机匣z的过盈量;为单位过盈量在机匣z的径向跳动测点产生的偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的径向跳动测点对机匣z的径向跳动测点的装配偏差;为机匣z的柱面几何偏差对机匣z的径向跳动测点的装配偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的端面跳动测点偏差对机匣z的径向跳动测点的装配偏差;为机匣z的端面贴合点偏差对机匣z的径向跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对机匣z的径向跳动测点产生的偏差;
最终的端面跳动测点的装配偏差{UNP,z}的表达式为:
其中,为机匣z的端面跳动测点的制造偏差;为单位过盈量在机匣z的端面跳动测点产生的偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的径向跳动测点偏差对机匣z的端面跳动测点的装配偏差;为机匣z的柱面几何偏差对机匣z的端面跳动测点的装配偏差;为前z-1段机匣装配完成后,机匣z-1的端面跳动测点偏差对机匣z的端面跳动测点的装配偏差;为机匣z的端面贴合点偏差对机匣z的端面跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对机匣z的端面跳动测点产生的偏差。
S4:输入机匣的零件的制造偏差(包括止口柱面的几何偏差与尺寸偏差、止口端面的几何偏差)、工装定位偏差、螺栓预紧力大小数据,代入步骤三中的最终表达式,即可得到机匣“假装”完成后,测点的端面跳动与径向跳动值,用于评估机匣的装配质量。
本发明可用于机匣的装配中,可以不通过现有的“假装”阶段,就能得出机匣的关键特征尺寸的大小,进而推断出现有零件装配完成后,产品是否合格,由此大大节省时间和成本,提高效率。
对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以对本发明的实施例作出若干变型和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种航空发动机机匣数字化假装质量预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:简化航空发动机机匣装配工艺,使影响机匣装配质量的因素包括止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差、螺栓预紧力大小和机匣零件制造偏差,然后采用等刚度法建立机匣简化模型,简化后的机匣为带止口的筒形件;
S2:获得单工位下两段机匣的装配总偏差表达式,包括如下过程:
将两段机匣简化模型在装配工装上通过止口螺栓配合连接在一起后,求出单工位下,止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差和螺栓预紧力大小各因素对径向跳动测点和端面跳动测点的偏差值,最后加上机匣零件制造偏差,获得单工位下两段机匣的装配总偏差表达式;
S3:建立机匣多工位装配偏差传递模型,获得航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式,包括如下过程:
当两段机匣组成的机匣装配体与第三段机匣装配时,所述机匣装配体被当作一个机匣,其对应的机匣零件制造偏差为所述机匣装配体的装配偏差,按照柔性机匣零件的装配过程,第三段机匣通过止口过盈配合和所述机匣装配体的机匣后止口贴合,然后将第三段机匣和所述机匣装配体通过止口螺栓配合连接在一起,按照步骤S2中所述方法,获得三段机匣的装配偏差,之后,以同样的方法,完成所有机匣的装配,获得航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式;
S4:将机匣止口柱面的几何偏差与尺寸偏差、止口端面的几何偏差、工装定位偏差、螺栓预紧力大小数据,代入步骤S3中获得的航空发动机机匣多工位装配总偏差表达式,得到机匣假装完成后端面跳动测点值与径向跳动测点值,实现航空发动机机匣假装质量预测;
步骤S2具体包括如下子步骤:
S21:建立单工位下止口过盈配合量大小对装配质量的影响模型,止口过盈配合量由机匣止口柱面的尺寸偏差产生,建模方法如下:
建立第一机匣和第二机匣单位过盈量的三维模型,进行有限元计算,两机匣过盈配合完成后,在第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n上产生的偏差为在第二机匣的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m上产生的偏差为n表示相邻两机匣的端面贴合点个数;m表示相邻两机匣的柱面贴合点个数;当第一机匣和第二机匣两机匣段配合的止口柱面的尺寸偏差过盈量为l2时,在第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n产生的偏差为径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m产生的偏差为
S22:建立止口过盈配合量不均匀度对装配质量的影响模型,止口过盈配合量不均匀度由机匣止口柱面的几何偏差产生,建模方法如下:
通过单位力响应法求出第一机匣的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP1m和第二机匣的柱面贴合点CP21,CP22,…,CP2m的位移响应向量组成的柔度矩阵;对该柔度矩阵进行逆转换,得出刚度矩阵;最后通过单位位移响应法求出:
其中,i=1,2,...,m表示由第一机匣的止口柱面的几何偏差在第二机匣的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;j=1,2,...,m为在第一机匣的柱面贴合点CP1j上产生单位位移时,第二机匣的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为第一机匣的柱面贴合点CP1i点上的实际偏差;为两机匣装配体的径向跳动测点偏差对第一机匣的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP1m偏差的敏感度矩阵;为第一机匣的柱面贴合点CP11,CP12,…,CP1m的实际偏差组成的向量;r表示测点在径向的偏差;
其中,i=1,2,...,n表示由第一机匣的止口柱面的几何偏差在第二机匣的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;i=1,2,...,n,j=1,2,...,m为在第一机匣的柱面贴合点CP1j上产生单位位移时,第二机匣的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对第一机匣的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;x表示测点在轴向的偏差;
其中,i=1,2,...,m表示由第二机匣的止口柱面的几何偏差在第二机匣的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;i,j=1,2,...,m为在第二机匣的柱面贴合点CP2j上产生单位位移时,第二机匣的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为第二机匣的柱面贴合点CP2i点上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对第二机匣的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;为第二机匣的柱面贴合点CP21,CP22,…,CP2m的实际偏差组成的向量;
其中,i=1,2,...,n表示由第二机匣的止口柱面的几何偏差在第二机匣的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;i=1,2,...,n,j=1,2,...,m为在第二机匣的柱面贴合点CP2j上产生单位位移时,第二机匣的端面跳动测点NP2i在轴向上产生的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对第二机匣的柱面贴合点偏差的敏感度矩阵;
S23:建立螺栓连接对装配质量的影响模型,建模方法如下;
通过单位力响应法求出第一机匣的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n和第二机匣的端面贴合点JP21,JP22,…,JP2n的位移响应向量组成的柔度矩阵;对该柔度矩阵进行逆转换,得出刚度矩阵;最后通过单位位移响应法求出:
其中,i=1,2,...,m表示由第一机匣的止口端面偏差在第二机匣的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;i=1,2,...,m,j=1,2,...,n为在第一机匣的端面贴合点JP1j上产生单位位移时,第二机匣的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为第一机匣的端面贴合点JP1j上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对第一机匣的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;为第一机匣的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n的实际偏差组成的向量;
其中,i=1,2,...,n表示由第一机匣的止口端面偏差在第二机匣的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;i,j=1,2,...,n为在第一机匣的端面贴合点JP1j上产生单位位移时,第二机匣的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对第一机匣的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;
其中,i=1,2,...,m表示由第二机匣的止口端面偏差在第二机匣的径向跳动测点MP2i上的径向产生的偏差;i=1,2,...,m,j=,2,...,n为在第二机匣的端面贴合点JP2j上产生单位位移时,第二机匣的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为第二机匣的端面贴合点JP2j上的实际偏差;为装配体径向跳动测点偏差对第二机匣的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;为第二机匣的端面贴合点JP21,JP22,…,JP2n的实际偏差组成的向量;
其中,i=1,2,...,n表示由第二机匣的止口端面偏差在第二机匣的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;i,j=1,2,...,m为在第二机匣的端面贴合点JP2j上产生单位位移时,第二机匣的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;为装配体端面跳动测点偏差对第二机匣的端面贴合点偏差的敏感度矩阵;
S24:建立装配工装定位偏差对装配质量的影响模型,定位点LP11,LP12,…,LP1l的偏差不会直接对测点偏差产生影响,l表示定位点个数,而是先把偏差传递到第一机匣的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n,再通过止口过盈配合传递到第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n与径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m,从而引起测点偏差,机匣装配工装存在的偏差为则机匣定位后,得到第一机匣的端面贴合点JP11,JP12,…,JP1n由于装配工装定位偏差产生的偏差为:
其中,i=1,2,...,n表示由第一机匣的定位点偏差在其端面贴合点JP1i的轴向上产生的偏差;i=1,2,...,n,j=1,2,...,m为在第一机匣的定位点LP1j上产生单位位移时,第一机匣的端面贴合点JP1i在轴向上的位移响应;i=1,2,...,l为第一机匣的定位点LP1i点上的实际偏差;为第一机匣端面贴合点偏差对夹具定位偏差的敏感度矩阵;为第一机匣的定位点LP11,LP12,…,LP1l的实际偏差组成的向量,
S25:建立螺旋预紧力对装配质量的影响模型;
在第j,j=1,2,...,n处螺栓连接施加预紧力,然后进行有限元计算,得到第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n的位移变化量{e1j,e2j,…,enj}T,在所有螺栓连接处均依次施加大小F2j的预紧力,则由螺栓预紧力在第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n处产生的偏差为:
其中,i=1,2,...,n表示由螺栓预紧力在第二机匣的端面跳动测点NP2i的轴向上产生的偏差;i,j=1,2,...,n为在第j处螺栓施加单位预紧力时,第二机匣的端面跳动测点NP2i在轴向上的位移响应;F2j,j=1,2,...,n表示第j处螺栓预紧力实际大小;为由各螺栓连接点施加单位预紧力时,在第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n产生的偏差矩阵;{F2}为预紧力的大小组成的向量;
其中,i=1,2,...,m表示由螺栓预紧力在第二机匣的径向跳动测点MP2i的径向上产生的偏差;i=1,2,...,m,j=1,2,...,n为在第j处螺栓施加单位预紧力时,第二机匣的径向跳动测点MP2i在径向上的位移响应;为由各螺栓连接点施加单位预紧力时,在第二机匣的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m产生的偏差矩阵;
S26:建立单工位下止口过盈配合量大小、止口过盈配合量不均匀程度、工装定位偏差、螺栓预紧力大小和机匣零件制造偏差对综合装配质量的影响模型,得到:
当第一机匣和第二机匣两段机匣装配时,第二机匣的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m的装配偏差{UMP,2}的综合表达式为:
第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n的装配偏差的综合表达式为:
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中所述的简化航空发动机机匣装配工艺具体包括如下步骤:
a)将第一机匣放到装配工装上按照自身定位方式进行定位;
b)通过止口过盈配合将第一机匣与第二机匣进行配合连接,保证两机匣的止口柱面处于贴合状态;
c)施加夹紧力,保证两机匣的止口端面处于贴合状态;
d)进行螺栓连接,螺母刚好拧到和两机匣相接触但没有拧紧,螺栓预紧力恰好为0,此时螺栓仅实现物理连接,螺栓和两机匣都不受力,无螺栓连接变形;
e)释放夹紧力,两机匣组成的装配体产生回弹;
f)施加螺栓预紧力,完成螺栓拧紧操作,螺栓连接引起变形,形成两机匣的最终装配偏差。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤S3具体过程如下:
当第一机匣和第二机匣两机匣组成的装配体与第三机匣装配时,第三机匣的径向跳动测点MP31,MP32,…,MP3m的装配偏差{UMP,3}的表达式为:
其中,为第三机匣的径向跳动测点的制造偏差;l3为装配第三机匣的过盈量;为单位过盈量在第三机匣的径向跳动测点产生的偏差;为第一机匣和第二机匣装配完成后,第二机匣的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m的偏差对第三机匣的径向跳动测点的装配偏差;为第三机匣的柱面几何偏差对其径向跳动测点的装配偏差;为第一机匣和第二机匣完成后,第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n的偏差对第三机匣的径向跳动测点的装配偏差;为第三机匣的端面贴合点偏差对第三机匣的径向跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对第三机匣的径向跳动测点产生的偏差;
第三机匣的端面跳动测点NP31,NP32,…,NP3n的装配偏差{UNP,3}的表达式为:
其中,为第三机匣的端面跳动测点的制造偏差;为单位过盈量在第三机匣的端面跳动测点产生的偏差;为第一机匣和第二机匣装配完成后,第二机匣的径向跳动测点MP21,MP22,…,MP2m的偏差对第三机匣端面跳动测点的装配偏差;为第三机匣的柱面几何偏差对第三机匣的端面跳动测点的装配偏差;为第一机匣和第二机匣装配完成后,第二机匣的端面跳动测点NP21,NP22,…,NP2n偏差对第三机匣的端面跳动测点的装配偏差;为第三机匣的端面贴合点偏差对第三机匣的端面跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对第三机匣的端面跳动测点产生的偏差;
完成z段机匣的总装配过程后,形成最终的径向跳动测点的装配偏差{UMP,z}的表达式为:
其中,为第z机匣的径向跳动测点的制造偏差;lz为装配第z机匣的过盈量;为单位过盈量在第z机匣的径向跳动测点产生的偏差;为前z-1段机匣装配完成后,第z-1机匣的径向跳动测点对第z机匣的径向跳动测点的装配偏差;为第z机匣的柱面几何偏差对第z机匣的径向跳动测点的装配偏差;为前z-1段机匣装配完成后,第z-1机匣的端面跳动测点偏差对第z机匣的径向跳动测点的装配偏差;为第z机匣的端面贴合点偏差对第z机匣的径向跳动测点产生的偏差;为螺栓预紧力大小对第z机匣的径向跳动测点产生的偏差;
最终的端面跳动测点的装配偏差{UNP,z}的表达式为:
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