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基于有限元的自动钻铆机托架的动力学研究

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  • 发布时间:2014-08-09
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近年来世界飞机制造技术的发展趋势表明,在今后很长- 段时间内,铆接技术仍然是飞机部件最主要的连接技术。

但传统飞机制造过程中的手工铆接装配由于劳动强度高,铆接质量差,生产效率低等缺点,已不能满足现代飞机生产制造业的要求。国外铆接装配技术几十年的应用证明,采用自动钻铆机后装配效率至少比手工铆接装配提高 10倍,并能节约安装成本,改善劳动条件 ,大大减少人为因素造成的缺基金项目:中航工业技术开发创新基金(2010E18223);国家科技支撑计划项目(2011BAF13B05)收稿 日期:2012-11-30 修回日期:2012-12-28. . - - - 74 ---陷,更重要的是能显著提高铆接质量 。在我国,该技术已经越来越广泛地应用于各型号飞机的研制过程中。

在 自动钻铆机中,托架的结构尺寸大,自重大,结构刚性差,易发生振动,所以托架具备合理的结构刚强度是保证壁板装配精度的必要条件。托架的结构刚强度是影响壁板装配精度的-个主要因素在于:其-,托架由于自重大,跨距长,在工作过程中由于重力作用会产生变形,文献[2]借助有限元软件 ANSYS研究了托架不 同姿态在静止状态下 的变形;其二,在壁板装配过程中,托架需要调整姿态,此时托架因冲击而产生振动,此时对托架的刚强度要求必然比静止状态时的要高,然而国内外未见有对自动钻铆机托架的动态特性进行研究。

本文针对为国内某飞机主机厂详细设计的 GRS6R30-120型钻铆机的全 自动定位系统 ,研究应用 ABAQUS/Stand-ard的隐式时间积分程序求解系统中托架在最大冲击启停过程中结构的动态响应〃立符合托架实际条件的有限元模型,并研究其动态特性,不仅可以在结构静力学的基础上进- 步验证托架设计的结构合理性 ,而且可以缩短设备的研制周期和缩减研制费用,同时为实际生产提出-些建议。

2 结构动力学分析的基本理论 。- ]2.1 有限元离散方程的隐式时间积分方法结构的动态问题在 n1时间步时的有限元离散动量方程 : 。

r( , ) ot(d,ll, )- (1、厂(d” , ” )0式中:列矩阵 r(d ,t )为残数 ,d 是t” 时间步的节点位移列矩阵 、厂 分别表示 内部和外部节点力的列矩阵。

在计算动力学问题时,隐式时间积分可以通过引入-个有效的参数 对式(1)进行如下变换 :r(d ,f )Ma / (d ,f )- r2、厂 (d ,t )0式(2)和式(1)进行比较 ,主要变化在于驱动节点力的位移计算,即:d (1IT)d -ITd (3)对-个线性系统来说,节点内力向量的定义为Kd 。(1 )Kd -ITKd即使用了参数 IT,增加了 ITKd -d 项 ,这可看作类似于刚度 比例阻尼。

使用Newmarkfl法,假设更新的位移和速度为d f a ,式中:等(1- f4) ; TAt0式中:口 (1-T)Ata (5)其中卢 1(1- ) ,7 1 - ,-了1

在隐式时间积分程序中,通过控制参数 来控制由于数值方法引进的阻尼 :当 0时积分器没有阻尼,当 -1/3时积分器有较大的阻尼。应用参数 ,可以在没有过多降低精度的前提下,有效地改善高频的数值耗散。

通过求解式(4)得到更新的加速度,即:0 (d - ) (6d ) 。 当 >0时,将式(6)代人式(2)得:”, I) (7)(d ,t )-广(d ,t” )0式(7)是节点位移 d” 的代数方程,Newton-Raphson法是求解此方程最广泛和最强健的方法。

2.2 接触约束结构动力学有限元离散方程包括-般运动方程和在接触界面上要 满足 的面力 条件和不 可侵彻性条件。 目前ABAQUS/Standard处理接触界面约束的方法是 Lagrange乘子法。

Lagrange乘子法是通过 Lagrange乘子施加接触体必须满足的非穿透约束条件的带约束极值问题的描述方法。在接触问题的离散化中,在接触界面上乘子必须是近似的,乘子必须满足法向面力是压力的约束,这种方法是把约束条件加在-个系统中最完美的数学描述∮触问题的离散运动方程和不可侵彻条件为- 尸 G A0 (8)LG式中:A是 Lagrange乘子场, 是接触物体 的速度场,G J A dPdF,其中A是Lagrange乘子场的C 插值函数矩阵。

矩阵 的元素 ,:. )如果 在A上, 和曰表示L ( )n ( )如果 ,在 曰上两个相互接触的物体,r。表示接触的交界面。

Lagrange乘子法无用户设定的参数,并且当节点相邻时,接触约束 (不可侵彻性条件 )几乎可以精确地得 到满足。Lagrange乘子法增加了未知量的数 目,并使系统矩阵主对角线元素为零,使得在数值方案的贯彻中需要处理非正定系统,数学上将发生困难。该方法适合于静态和低速的接触问题。本文中,托架的浮动端和固定端的大位移滑动接触属于低速问题,在接触计算时,通过 Lagrange乘子法施加界面接触约束。

3 托架部分的结构动力学分析3.1 托架部分的模态分析5模态分析是动力学分析中的-项基础性分析,通过模态分析可以了解结构的各阶固有频率及振型。

依据详细设计的钻铆机全自动定位系统的三维模型,将其中托架部分导出,并做适当的简化处理,如去除倒角、圆角和凶等对分析结果的影响可以忽略的特征~模型导入ABAQUS,形成包括内部加强筋在内的272个零件。材料属性参数的设置如表 1所示。

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