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基于数字孪生的复杂产品装配建模与精度分析方法

周石恩  
【摘要】:复杂产品性能优劣与装配质量息息相关,其重要评价指标之一是装配体误差,它由零件结构误差、材料等本征属性和装配过程中的误差传递方式决定。在零件制造过程中不可避免地会产生一定大小误差,其表征方法及在后续装配环节中的应用一直是工程上的一大难题,而误差传递方式受到工艺、环境等多种因素影响,二者共同作用下使得传统装配误差预测精度不高。本文在总结了产品装配建模和精度分析方法研究现状的基础上,针对产品数字化模型构建、薄壁件多夹具定位和装配、螺栓联接结构低应力装配优化等内容进行了深入研究,并根据提出方法开发了产品数字孪生建模与装配精度分析软件系统,对于指导零件加工和装配,从而提高产品竞争力具有重大意义。论文的主要研究内容包括:第一章概述了产品建模和装配数字化技术研究的发展历程,指出了当前装配建模与分析方法的不足之处,引出数字孪生技术在提高产品装配预测精度方面的优越性,并介绍了本文的研究内容和组织结构。第二章提出了一种融合多层次信息的数字孪生装配模型表达方法。定义了零件特征的层次化模型,将真实零件的离散点云、配准元素、质心位置等信息划分为几何形状层、位姿约束层、物理状态层,共同表达面向装配的零件特征完整属性。利用点云拟合、齐次矩阵运算、Hertz接触理论等方法,实现多层属性的逆向建模与零件数字孪生体构建,并针对不同应用场景搭建装配孪生体框架。第三章提出了基于混合向量环的刚柔装配孪生体形状特征统计分析方法。构造批量零件特征的偏差位移场,从几何形状层和位姿约束层角度对特征进行统计表达。采用协方差表示批量零件特征扫描点云描述的形状关联性,根据轮廓相似性研究位姿约束平移项、旋转项和几何形状项误差特征的统计规律。将柔性体误差向量分解为正交子向量,与刚体向量一同构成混合向量环,根据零件特征概率密度分布求得装配后产品关键特征点的误差分布并估算产品装配质量。第四章提出了基于孪生数据的复杂产品定位-装配精度预测方法。提出基于等距偏移曲面的夹具定位球头调节方式,分析数字零件几何误差与物理特性对其受力变形的影响。以薄壁件上离散点集的变形量均值最小为目标,提出基于混合粒子群的多夹具定位优化方法,保证定位阶段薄壁件具有较强的抗变形能力。提出改进影响系数方法来进行薄壁件装配误差分析,将定位后的薄壁件离散误差作为输入条件,考虑特征配准和物理干涉等情况预测薄壁件真实装配误差,指导实际薄壁件的定位和装配操作。第五章提出了面向螺栓低应力装配的复杂产品孪生体精度保障方法。利用弹簧-刚度方法对螺栓联接结构进行表征,分析了平面金属板孪生信息和工艺、环境等因素对静力平衡方程的影响,并构建了螺栓剪切应力计算模型。提出以信息熵为灵敏度指标的评价方法,分析螺栓拧紧力矩对单个和多个螺栓应力的影响程度。将多个螺栓应力作为目标优化约束条件,求解金属板搭接结构螺栓拧紧力矩的Pareto非劣解集,将优化后的工艺参数反馈给工人进行螺栓拧紧操作,保证产品服役阶段精度稳定性。第六章开发了产品数字孪生建模与装配精度分析系统,根据本文内容分为装配孪生体多层次逆向建模、批量零件统计形状表征与分析、薄壁件夹具定位优化与柔性装配、螺栓联接结构低应力装配优化四大模块,验证了本文方法的可行性,对于实际产品成型过程具有指导意义。第七章对全文进行了总结,归纳了文章的主要理论方法与创新点,同时展望了下一步的研究内容。


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