1、第45卷 第08期 2023-08【119】收稿日期：2021-08-04作者简介：张辉（1978-），男，辽宁沈阳人，研究员，硕士，主要从事飞机数字化装配技术研究工作。飞机舱门装配容差分析与优化方法Tolerance analysis and optimization method of aircraft door assembly 张 辉*，潘 新，于传军ZHANG Hui*，PAN Xin，YU Chuan-jun（沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110034）摘 要：飞机舱门部件装配协调准确的要求高，而现阶段的装配容差确定和准确度保证主要是依靠规范标准和技术人员的经验，缺少科学的容
2、差分析方法，导致现场装配过程经常出现由于超差原因而引起的协调困难和强迫装配问题，针对这一问题，通过研究飞机舱门部件的装配特点，在提出关键控制特性等相关概念的基础上，研究了关键特性之间的关联关系，以及基于关键控制特性的飞机舱门部件装配容差仿真与优化方法。以某型飞机舱门装配容差仿真为例，进行了舱门定位方法和偏差传递路径分析、舱门装配容差仿真建模、仿真结果分析、装配容差优化，验证了方法的有效性。关键词：飞机舱门装配；容差建模；关键控制特性；装配容差信息MBD模型；容差仿真与优化 中图分类号：V262 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)08-0119-040 引言针对飞机舱门装配
3、制定合理的容差分配方案是控制成本保证装配准确度的关键，其直接影响着飞机产品气动性能和隐身性性能。目前，新机装配容差分配的主流方法仍是依据规范、标准和技术人员经验初步确定装配过程中各环节容差，运用极值法或概率法进行核算，这种方法存在随意性和试凑性等问题，形成的装配容差方案无法保证装配合格率和工艺能力的均衡1,2。随着飞机装配精度要求的不断提高，数字化仿真技术在飞机装配中的应用开始深入，飞机装配容差仿真方法也从传统的一维、二维空间发展到了三维空间3,4。由于三维装配容差仿真考虑了偏差在空间传递和积累的特殊性，以及尺寸偏差、几何偏差、定位偏差及其之间的空间关系，更加符合实际装配，因此得到了快速发展。
4、目前国内外三维计算机辅助公差软件，如VSA、CE-TOL、3DCS等开始在航空制造中进行推广研究5。张黎6等人利用3DCS软件平台，对大型客机主起落架收放机构容差进行了分析，钱丽丽7等开展了飞机典型部件容差分配技术研究等。国内部分飞机主机生产企业引进了商业化容差分析软件，但三维容差仿真技术仍然存在基础薄弱，无法在尺寸传递分析与容差分配方面取得显著进展810。因飞机舱门结构存在特点与装配复杂性，装配关键特性保证困难，因此本文以某型飞机舱门装配为对象进行容差仿真与优化方法研究，为舱门部件的装配容差方案确定和装配精度保证提供系统的技术和方法。1 关键控制特性概念提出关键特性（Key Feature，
5、KF）是指对飞机质量及整体性能有显著影响的产品或零部件的几何特征，它是飞机舱门装配精度控制的具体对象，贯穿于飞机设计、加工、装配和检测等产品全生命周期11,12。舱门设计阶段定义的关键特性通常称为关键产品特性（Key Product Feature，KPF），用于支撑舱门设计阶段的公差分析，但这些KPF在应用到装配阶段时，由于受到企业装配能力、测量能力等因素的限制，存在某些KPF的精度无法直接测量，或无法通过单点测量来实现控制13。例如直线度，由于直线上各点测量得到的直线度均存在差异，为了实现对直线度偏差的准确测量与有效控制，需要采用多点测量的方式，这时就将一个KPF转换为多个测量点，并将每个
6、测量点称为一个关键控制特性。为此，在KPF的基础上引入关键控制特性的概念，在装配过程中通过对关键控制特性精度的控制，实现对KPF精度的控制。关键控制特性（Key Control Feature,KCF）是依据关键产品特性、装配工艺过程及现场测量能力，以产品结构为核心提取的便于测量的一系列几何特征，其波动将显著影响产品的装配过程及装配精度，是装配阶段精度控制的对象。由于KCF是以KPF为基础定义的，下面结合KPF树来构建KCF及KCF树。如图1左侧所示，KPF树是舱门设计阶段，KPF沿着产品装配结构树自顶向下逐级分解形成的，它以舱门结构为核心对舱门需要控制的关键几何特征进行了【120】第45卷
7、第08期 2023-08有效组织。每个KPF的精度都可在制造过程中通过控制下一级装配零组件的KPF得到保证，如KPF12的精度由KPF21、KPF22、KPF2j来保证。在装配过程中分别对各KPF的精度进行测量并控制，对于无法直接测量控制的KPF，将这些KPF分解为多个KCF，作为装配过程中精度控制的具体对象。例如，图中将KPF21分解为KCF21和KCF21。由此看出KPF与KCF是一对一或一对多的映射关系，根据这一映射关系建立的KCF树及其与KPF的关系模型如图1所示。部件级组件级产品级KPF12KPF1iKPF11KPF2jKPF22KPF21KPFn3KPFn2KPFn1KPFnk装配
8、体KCF12KCF1iKCF11KCF2jKCF21KCF21KCFn3KCFn2KCFn1KCFnk装配体KCF2j图1 KPF与KCF的关系模型KCF与KPF自上而下的设计过程相反，KCF随装配过程自底向上传递，各层KCF的偏差将影响其父层KCF的装配精度，并影响舱门最终的装配质量。相应地，将包含KCF的装配工序称为关键装配精度控制工序。装配容差仿真与优化的目的是对关键精度控制工序中各KCF的精度进行有效控制，以保证飞机的装配精度。2 基于关键控制特性的舱门装配容差仿真与优化方法飞机舱门装配容差仿真与优化是在装配工艺准备过程中，通过装配容差仿真，确定关键特性的装配精度是否满足设计要求和当前
9、的装配工艺能力，并利用装配精度优化方法，以装配KCF的精度作为优化目标，以装配工艺能力为约束条件对设计公差、装配容差等公差值，以及装配顺序、定位基准等装配过程参数进行优化，最终实现装配精度与生产成本的均衡14。基于KCF和关键精度控制工序的概念，提出了舱门部件装配容差仿真与优化方法，其实现过程如图2所示。偏差源敏感度计算第K-1关键精度控制工序第K关键精度控制工序第K+1关键精度控制工序零件公差装配方案装夹定位方式配合方式装配精度信息建模工序装配模型E2装配精度预测精度满足要求？NoNoYesYesK-1工序KCF的精度X（K-1）输出KCF的精度仿真结果X（K）装配工艺、公差/容差方案E3E
10、1X（K-1）X（K）装配工序能力满足？柔性子结构有限元分析精度优化图2 舱门部件装配容差仿真与优化过程飞机舱门装配是典型的多站位、多工序协同装配，多工序装配容差仿真与优化过程是：以前工序的装配KCF精度X（X-1），及本工序的装配序列、装配过程偏差、装配工序模型等信息（图中E1，E2，E3）作为输入，对该工序KCF的装配容差和精度进行预测与优化，再将该工序输出的KCF精度X（X）作为下一工序装配容差仿真的输入信息。相似地，对其他关键精度控制工序的装配精度进行预测与优化，直到舱门最终的关键控制特性精度满足设计要求为止。2.1 装配容差信息建模飞机舱门装配容差信息建模过程可归纳为：采用MBD技术
11、将前一工序的关键控制特性及其公差信息与本工序的装配工艺信息、工序装配模型进行有效地组织与集成，建立该工序装配容差信息MBD模型。进一步将各工序容差信息进行有效组织，形成飞机舱门装配容差信息MBD模型。其中，工序装配容差信息MBD模型主要包含上道工序关键特性信息、工序基本信息和工序测量信息三部分，如图3所示。设计MBD模型三维产品模型关联尺寸几何约束产品公差几何基准FEA数据工艺MBD模型MBOM工艺公差定位孔参数坐标孔参数定位基准协调参数工装MBD模型工装定位器测量点工艺定位孔定位需求变形补偿数据定位误差测量信息模型关键测量特性测量基准测量方案测量预测值测量分析数据测量坐标系工序基本信息工序测
12、量信息工序装配容差信息上一工序关键特性信息图3 舱门工序装配容差信息MBD模型工序装配容差信息MBD模型是舱门装配容差信息模型的核心，用于工序装配容差仿真与优化，以便提前掌握和评估本工序装配关键特性和工艺能力的满足情况，针对需要进行重点协调控制的装配部位，便于提前对装配关键特性和容差分配情况进行评估，并制定相应的容差优化和精度保证措施。其中，工序基本信息表示在本工序中，对装配精度有影响的所有已知信息，具体包括设计MBD模型信息、工艺MBD模型信息、工装MBD模型信息、设计公差信息、装配容差信息等；工序测量信息表示本工序装配中的关键控制特性信息，具体包括关键测量特性、测量方案、测量基准、测量标准
13、和测量数据等信息。2.2 装配容差仿真分析在三维装配工艺发布前，基于装配容差信息模型对舱门部件装配关键控制特性进行仿真预测，提前了解各关键特性的装配精度保证情况及装配工艺能力。由于装配工艺准备过程的容差仿真是在零件还未加工的情况下进行的，所以该阶段的装配容差仿真是以零件设计公差、工装的设第45卷 第08期 2023-08【121】计公差、装配工艺等信息作为输入，基于装配容差信息模型和仿真算法求解偏差传递路径和偏差积累结果，通过蒙特卡罗方法进行装配容差仿真与统计分析，判断关键控制特性精度是否满足设计要求。具体判断过程为：根据装配容差仿真结果判断关键控制特性精度是否超差，并对企业的装配工艺能力进行
14、评估，以实现飞机舱门装配精度与制造成本的均衡，在保证飞机舱门部件装配精度的同时，避免装配过程中出现公差过松或过紧的情况发生。2.3 装配容差优化装配容差优化是在容差仿真结果分析的基础上，确定优化目标与约束条件，通过优化装配序列、装配容差、定位方式、设计公差等装配过程参数，最终使舱门的装配精度达到设计要求。当装配的关键控制特性出现超差时，需要以该关键特性装为优化目标，以装配工艺能力为约束条件，结合偏差源敏感度计算方法和基于工艺能力评估的公差优化量计算方法，有针对性地进行装配容差定量优化。针对优化后的装配容差方案，需要重新进行装配容差仿真，以验证优化后装配方案的有效性。最后输出可行的装配容差方案及
15、装配序列、协调方法等，以支持飞机舱门装配协调和工艺设计。3 实例分析1）面向偏差尺寸链分析的舱门模型简化飞机舱门包括内外蒙皮、主梁、隔板、左右侧梁、支臂和锁环6类零件，舱门产品装配流程如图4(a)所示。舱门结构与装配流程较复杂，为提高容差仿真建模交互能力与仿真分析效率，需要分析出影响舱门阶差主要零件，而去掉对分析结果影响不大或无关零件，对舱门仿真数模进行简化。舱门装配过程中外蒙皮的内表面是隔板的定位基准，通过连接角片消除制造误差，隔板对舱门与机身框阶差产生的影响很小，在阶差容差分析时可以不考虑。内蒙皮、支臂和锁环在舱门设计时，留有足够的设计补偿，在舱门装配过程中会出现“尺寸误差传递终结”现象，
16、内蒙皮、支臂和锁环对舱门与机身框阶差不会产生影响。舱门参与此次容差分析的简化数模如图4(b)所示，舱门简化后的装配过程如图4(c)所示。隔板安装主梁和侧梁安装内蒙皮安装支臂锁环安装外蒙皮安装外蒙皮主梁侧梁（a）简化前装配流程（b）模型简化外蒙皮安装主梁安装侧梁安装（c）简化后装配流程图4 面向容差仿真的舱门装配工艺简化过程2）装配定位方法与偏差传递路径分析飞机舱门装配零部件的定位方法如5(a)所示，为保证舱门外蒙皮装配准确度，利用定位卡板内形面定位外蒙皮外形面定位控制，舱门主梁定位是通过主梁上两个定位孔与之对应主梁定位器侧面、孔和定位销实现的，舱门侧梁定位是利用定位卡块的两个面与侧梁两个外形面
17、相接触实现的。通过对舱门零件采用定位方法的分析，可以得出舱门与机身框阶差装配尺寸链传递过程如图5(b)所示。参与舱门阶差尺寸传递的容差内容主要包括如下：1）主梁的定位孔孔径精度、位置度和缘条轮廓度；2）侧梁缘条和外蒙皮外形轮廓度；3）主梁定位器的定位孔孔径精度、位置度、定位定位器孔径精度和位置度；4）侧梁定位卡块定位面轮廓度、定位卡快孔径精度和孔位置度。蒙皮定位卡板主梁定位器侧梁定位卡块(a)装配基准侧梁侧梁定位孔位置度定位孔精度缘条轮廓度外形轮廓度缘条轮廓度定位销孔精度主梁主梁定位器定位器定位销孔位置度定位工装孔精度定位工装孔位置度侧梁定侧梁定位卡块位卡块卡快定位面轮廓度定位卡快孔精度定位卡
18、快孔位置度卡板定位面轮廓度舱门与舱门与机身框机身框阶差阶差蒙皮定蒙皮定位卡块位卡块(b)装配偏差传递(b)装配偏差传递图5 舱门装配定位及偏差传递路径3）装配容差仿真模型构建在仿真环境依据所提的容差仿真方法，通过装配特征构建、公差值定义、装配操作创建、装配顺序创建和测量特征创建等构建飞机舱门部件装配容差仿真模型。其中，在飞机舱门装配工艺设计初期，根据规范标准和技术人员经验初步确定的舱门装配过程中各个环节的容差值如表1所示。表1 初始舱门产品/工装容差分配方案（“”为不涉及）名称外形轮廓度公差/mm定位孔精度/mm定位孔位置度/mm主梁-0.60.200.040.16侧梁01外蒙皮01主梁定位器
19、00.030.16主梁定位器00.030.16侧梁定位器-0.40侧梁定位器00.030.16蒙皮定位卡板-0.30.3【122】第45卷 第08期 2023-08按照装配阶差的关键控制特性要求，测量目标定为前起舱门上的点到前机身蒙皮的垂直距离，测量点分布如图6中所示。测量点13测量点8测量点10测量点10测量点11测量点5测量点4测量点9测量点6测量点7测量点1测量点12测量点2图6 舱门容差仿真的测点分布4）装配容差仿真结果分析将表1基于经验的舱门零件与工装容差分配方案作为容差仿真的输入，基于蒙特卡洛方法进行5000次仿真分析，得舱门装配阶差仿真分析结果图7所示。图7 初始容差分配方案（基
20、于经验）的仿真结果由仿真结果可以看出舱门测量点1、6、10、11位置处存在超差的可能，其中测点10的仿真结果如图9(a)所示，装配超差率为59.8%。5）舱门装配容差优化通过容差仿真结果可知，影响舱门装配阶差的主要因素是主梁定位孔位置度和外蒙皮轮廓度精度.因此，可以通过收紧主梁定位孔位置度和外蒙皮轮廓度的容差范围，来达到减小舱门阶差的风险。将主梁定位孔位置度精度提高到0.06mm，其他容差输入条件不变，舱门阶差仿真结果如图8中1项容差缩紧曲线所示，在舱门装配过程中测量点1位置仍然存在超差风险。在主梁定位孔位置度精度容差缩紧前期下，再将外蒙皮轮廓度容差差范围调整到0.2mm0.8mm，其他输入条
21、件不变，舱门阶差仿真结果如图8中两项容差缩紧曲线所示，优化后容差方案的13个测量结果均能保证在误差允许外围之内，装配过程中舱门无超差风险。其中，优化后测点10的仿真结果如图9(b)所示。图8 优化后容差分配方案的仿真结果(a)优化前(b)优化后图9 测点10优化前后仿真结果对比根据优化前后的仿真结果对比，确定的舱门装配容差优化方案如表2所示。表2 优化后舱门产品/工装容差分配方案（“”为不涉及）名称外形轮廓度公差/mm定位孔精度/mm定位孔位置度/mm主梁-0.60.200.040.06侧梁01外蒙皮0.20.8主梁定位器0-0.030.16主梁定位器0-0.030.16侧梁定位器-0.40侧
22、梁定位器00.030.16蒙皮定位卡板-0.30.3 4 结语针对飞机舱门装配关键特性保证困难的问题，研究了舱门关键特性的演化与关联关系，以及基于关键特性的舱门部件装配容差仿真与优化方法。以某型飞机舱门装配为对象说明了所提方法和技术的有效性，形成了包括容差建模、仿真与优化全流程的飞机舱门装配容差仿真方法，能够有效地防止舱门装配过程中的阶差超差问题，为提高舱门一次装配合格率提供了方法和手段。【下转第140页】【140】第45卷 第08期 2023-08标价格之前可以从当前的电力市场环境中学习。此外，HLProfitX方案使用博弈论技术进行联网电动汽车之间的竞价过程，而PETCON使用双重拍卖机制
23、来最大化销售价格，而不考虑市场情况。HLProfitX同时最大限度地提高了联网电动汽车卖家和联网电动汽车买家之间的电量交易量。它可以更好地管理联网电动汽车卖家销售的电量。图7 HLProfitX和PETCON的平均联网电动汽车效用变化从图7中获得的观察结果说明了HLProfitX在联网电动汽车效用方面的性能显著。很明显，HLProfitX改善了联网电动汽车卖家和买家提供的电力交易，节省率达到了21%。5 结语本文提出了一种基于区块链、机器学习和博弈论模型的联网电动汽车停车场进行电力交易研究。设计了一个基于随机竞价流程的分布式智能合约解决方案，帮助联网电动汽车以最大的盈利能力买卖电力，优化了联网
24、电动汽车的利润率，提高了智能合约的效率。本文是第一个考虑在电力交易系统中结合区块链、机器学习和博弈论的模型，提出了在联网电动汽车之间的停车场采用分散的电力交易框架（DETF）。使用MATLAB和Solidity进行了数值模拟，并将提出的HLProfitX算法与PETCON进行了比较，并证明了提出解决方案的有效性。参考文献：1 王栋,杨珂,王瑜,等.基于区块链的联盟信任分布式认证在电力行业的应用探索J.电力系统自动化,2021,12(7):1-13.2 M.G.Simes,Artificial Intelligence for Smarter Power Systems:Fuzzy logic
25、and neural networksJ.IET Digital Library,2021,56(10):131-139.3 Relji V,Milenkovi I,Dudi S,et al.Augmented Reality Applications in Industry 4.0 EnvironmentJ.Applied Sciences,2021,11(12):5592.4 郭子豪,邢诗怡,王宇,等.基于AR技术的飞机维修可视化远程协助系统研究J.自动化应用,2019,133(10):129-130,133.5 李鹏,毕建刚,于浩,等.变电设备智能传感与状态感知技术及应用J.高电压技术.
26、2020,46(9):3097-3113.6 RehmanU,ShiC.Augmented-Reality-Based Indoor Navigation:A Comparative Analysis of Handheld Devices Versus Google GlassJ.IEEE Transactions on Human-MachineSystems,2017,8(47):140-151.7 何苗,柏粉花,于卓,等.区块链中可公开验证密钥共享技术J.浙江大学学报,2022,11(13):1-7.8 王海亮,邓玲,何奇,等.直觉模糊层次分析法下变压器状态的灰色模糊综合评判模型J.高
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