基于VSA的水平尾翼固定前緣容差分析

劉盼++李建勛++高鵬

摘 要：在飛機制造中，對產品的裝配準確度和工藝性提出了很高的要求，合理的容差分配起到了關鍵的作用，因此容差優化和工藝選優是飛機制造過程中重要的環節。本文闡述了容差分析與優化的流程，并指出容差優化具有評價工藝能力、提取控制目標影響因子和改進工藝的作用。利用商用容差分析軟件，針對某機型水平尾翼的固定前緣進行了容差分配方案的優化，驗證了容差優化的作用，為實際裝配工藝方案的制定提供參考。

關鍵詞：飛機制造 容差優化 水平尾翼 固定前緣

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0084-03

在飛機的設計、工藝、制造、裝配等過程中，容差的合理分配是非常關鍵的，它關系到產品的性能、制造成本、裝配工藝性等。對零件容差要求嚴格，零部件裝配準確度高，裝配工藝性好，而零件制造成本增加，產品超差率提高；反之，對零件容差要求寬松，零部件裝配準確度低，裝配工藝性差，而零件制造成本減少，產品超差率降低[1]。因此，在飛機制造過程中，需要對零件的容差給定合理的分配方案，并進行方案的不斷迭代優化，從而合理地協調產品的性能、制造成本和裝配的工藝性。可見，容差優化己成為提高飛機裝配質量和縮短研制周期的重要環節。目前，在容差優化方面，國內外作了相當的研究，研究采用的主要方法有：最小成本法、遺傳算法、模糊綜合法、人工智能法等。

本文基于VisVSA技術，以水平尾翼為例，采用數字化手段進行容差分配方案的優化，進一步提高了容差分析的精度和容差設計的合理性。

1 容差分析與優化流程

容差分析及優化的主要工作過程，是根據工程/制造/裝配工藝確定的零件公差、裝配路線及基準傳遞路線建立容差傳遞尺寸鏈，利用計算機模擬裝配的方法，最終得到控制目標的工藝能力指數評判，對工藝方案進行驗證，最終從不同的工藝方案和裝配協調路線中優選出一套合理的方案。容差分析與優化示意圖如圖1所示。

從容差分析與優化的流程可以看出，容差分析與優化是通過對控制目標的超差來源進行數字化定量分析。其作用如下。

（1）計算工藝能力指數Cp和Cpk，評價產品的裝配質量。

Cp可以理解為某一工序保證加工質量的能力。Cpk可以理解為某道工序的加工精度能滿足公差要求的程度。Cp和Cpk的計算公式如下：

（1）

（2）

其中：為控制目標要求的上限；為控制目標要求的下限；為正態仿真結果的均值；為正態仿真結果的標準差。在仿真分析環節，將控制目標要求作為輸入條件，通過仿真裝配計算產品裝配工藝的工藝能力指數Cp和Cpk來評價工序的工藝能力，從而評價產品的裝配質量。一般要求Cp值要大于1.33，如果低于1.33說明出現不合格產品概率大，但Cp值過高會使成本增加。

（2）提取控制目標的影響因子，并計算影響因子的貢獻度。

貢獻度為影響尺寸璉環節的因素對尺寸鏈的貢獻程度。通過商用容差分析軟件的仿真計算，可以提取出控制目標的影響因子，計算影響因子的貢獻程度。因此，在對容差分配方案進行優化時，著重改進貢獻度大的因子。

（3）對容差進行迭代優化，改進裝配工藝方案。

結合VSA容差分析軟件模擬產品的裝配，對容差分配方案進行優化，最終滿足質量要求、設計與制造要求，達到改進裝配工藝方案的目的。

2 容差分配優化

本文以水平尾翼固定前緣為例，說明如何使用容差分析模型進行容差分配方案的優化。

2.1 固定前緣介紹

水平尾翼固定前緣由鈑金蒙皮、鈑金封閉肋、鈑金支撐肋以及機加連接肋組成，

其組件結構如圖2所示。

2.2 控制目標要求及測量目標轉換

水平尾翼固定前緣的控制目標及要求如表1所示。

在VSA容差分析軟件中，外形容差和間隙都不能直接建立其測量目標，需要將兩個控制目標轉換為VSA中可以測量的目標，通過可測目標的仿真結果來反映控制目標。

2.3 原容差分配方案分析

應用容差分析軟件VSA，建立固定前緣的仿真分析模型。按照實際裝配工藝方案，將原容差分配方案輸入到仿真分析模型中，通過對仿真結果的分析，來驗證原容差分配方案的可行性。

2.3.1 原容差分配方案輸入

固定前緣蒙皮的容差輸入如圖3所示，蒙皮外形上3個點為A基準，端面2個點為B基準，蒙皮外形上1個點位C基準。蒙皮的外形精度為-0.3 mm/+0.1 mm，厚度公差為±0.14 mm，工藝耳片孔的位置度為Φ0.1 mm。

鈑金封端肋和支撐肋的容差輸入如圖4所示，肋的腹板平面為A基準，腹板上的工裝定位孔分別為B、C基準。肋腹板面的平面度為0.1 mm，兩個定位孔的位置度為 Φ0.2 mm，肋的外形精度為-0.3 mm/+0。

機加連接肋的容差輸入如圖5所示，肋的腹板平面為A基準，腹板上的工裝定位孔分別為B、C基準。肋腹板面的平面度為 0.1 mm，兩個定位孔的位置度為Φ0.1 mm，肋的外形精度為-0.4 mm/+0。

2.3.2 結果分析

在VSA軟件中，按照工藝方案裝配固定前緣后，得到了固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結果。仿真結果如圖6和圖7所示，其中外形容差給定的控制要求界限為±0.8 mm，間隙給定的控制要求界限為0/+0.5 mm。

在給定的控制目標界限±0.8 mm下，外形容差的仿真數據如表2所示，影響因素如表3所示。

從表2中的數據可以看出，固定前緣蒙皮的外形容差可以達到-0.5192 mm/+ 0.2803 mm，如果工程要求為±0.8 mm，則外形容差測量的Cp≧1.33，即合格率為99.73%，工藝能力高。可見，固定前緣蒙皮的外形容差滿足工程控制要求。從表3中的影響因素可以看出，影響前緣外形容差的主要因素是蒙皮的外形精度。endprint

在給定的控制目標界限0/+0.5 mm下，1#端肋與固定前緣的間隙仿真數據如表4所示，影響因素如表5所示。

從表4中的數據可以看出，固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙為-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求為0/+0.5 mm，則間隙測量的Cp≧0.6067，即合格率達不到為99.73%，工藝能力不足。類似固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙，固定前緣蒙皮與2#、3#端肋的間隙分別為-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前緣蒙皮與端肋的間隙不能滿足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前緣與端肋會發生干涉。從表5中的影響因素可以看出，影響間隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

從以上對固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以滿足控制要求，間隙不能滿足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案優化

從固定前緣與端肋間隙的仿真結果可以看出，間隙的容差大于設計給定的控制要求，說明在實際裝配階段中會出現超差現象，需要對分配方案進行優化。通過對控制目標影響因子的提取，可見蒙皮的外形精度對間隙的影響最大，因此，在進行容差分配方案迭代優化中，需要適當調整蒙皮的外形精度的公差值，來達到優化的目的。現將固定前緣蒙皮的外形精度調整為 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的輸入條件不變，確定新的容差輸入方案。

將新的容差分配方案輸入到VSA分析模型中，通過分析計算，再次得到新的仿真結果，結果如圖8和圖9所示。

可見，通過容差分配方案的迭代優化，固定前緣外形容差的仿真結果為-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然滿足控制目標要求；間隙的分析結果為-0.2 mm/+0.5 mm，在允許0.2 mm修錯的情況下，基本符合控制要求。因此，改進后的容差分配方案基本符合裝配質量要求，可以滿足實際的需要。

3 結語

在飛機裝配過程中，容差分配和裝配工藝對飛機的性能、結構裝配質量有著重要的作用，可見，容差優化成為飛機裝配過程的重要環節。本文闡明了容差分析和迭代優化的流程，并給出了容差優化具有評價工藝能力、提取影響因子和改進工藝的作用。通過結合商用容差分析軟件，針對某機型水平尾翼的固定前緣進行了容差分配方案優化，為實際裝配工藝方案的制定提供參考和依據。

參考文獻

[1] 武一民，周志革，楊津.公差分析與綜合的進展[J].機械設計，2001（2）：4-5.

[2] 劉玉生，楊將新，吳昭同.CAD/LAPP集成中公差的模糊優化設計[J].浙江大學學報，2001，35（I）：41-46.

[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint

在給定的控制目標界限0/+0.5 mm下，1#端肋與固定前緣的間隙仿真數據如表4所示，影響因素如表5所示。

從表4中的數據可以看出，固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙為-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求為0/+0.5 mm，則間隙測量的Cp≧0.6067，即合格率達不到為99.73%，工藝能力不足。類似固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙，固定前緣蒙皮與2#、3#端肋的間隙分別為-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前緣蒙皮與端肋的間隙不能滿足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前緣與端肋會發生干涉。從表5中的影響因素可以看出，影響間隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

從以上對固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以滿足控制要求，間隙不能滿足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案優化

從固定前緣與端肋間隙的仿真結果可以看出，間隙的容差大于設計給定的控制要求，說明在實際裝配階段中會出現超差現象，需要對分配方案進行優化。通過對控制目標影響因子的提取，可見蒙皮的外形精度對間隙的影響最大，因此，在進行容差分配方案迭代優化中，需要適當調整蒙皮的外形精度的公差值，來達到優化的目的。現將固定前緣蒙皮的外形精度調整為 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的輸入條件不變，確定新的容差輸入方案。

將新的容差分配方案輸入到VSA分析模型中，通過分析計算，再次得到新的仿真結果，結果如圖8和圖9所示。

可見，通過容差分配方案的迭代優化，固定前緣外形容差的仿真結果為-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然滿足控制目標要求；間隙的分析結果為-0.2 mm/+0.5 mm，在允許0.2 mm修錯的情況下，基本符合控制要求。因此，改進后的容差分配方案基本符合裝配質量要求，可以滿足實際的需要。

3 結語

在飛機裝配過程中，容差分配和裝配工藝對飛機的性能、結構裝配質量有著重要的作用，可見，容差優化成為飛機裝配過程的重要環節。本文闡明了容差分析和迭代優化的流程，并給出了容差優化具有評價工藝能力、提取影響因子和改進工藝的作用。通過結合商用容差分析軟件，針對某機型水平尾翼的固定前緣進行了容差分配方案優化，為實際裝配工藝方案的制定提供參考和依據。

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[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint

在給定的控制目標界限0/+0.5 mm下，1#端肋與固定前緣的間隙仿真數據如表4所示，影響因素如表5所示。

從表4中的數據可以看出，固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙為-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求為0/+0.5 mm，則間隙測量的Cp≧0.6067，即合格率達不到為99.73%，工藝能力不足。類似固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙，固定前緣蒙皮與2#、3#端肋的間隙分別為-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前緣蒙皮與端肋的間隙不能滿足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前緣與端肋會發生干涉。從表5中的影響因素可以看出，影響間隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

從以上對固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以滿足控制要求，間隙不能滿足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案優化

從固定前緣與端肋間隙的仿真結果可以看出，間隙的容差大于設計給定的控制要求，說明在實際裝配階段中會出現超差現象，需要對分配方案進行優化。通過對控制目標影響因子的提取，可見蒙皮的外形精度對間隙的影響最大，因此，在進行容差分配方案迭代優化中，需要適當調整蒙皮的外形精度的公差值，來達到優化的目的。現將固定前緣蒙皮的外形精度調整為 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的輸入條件不變，確定新的容差輸入方案。

將新的容差分配方案輸入到VSA分析模型中，通過分析計算，再次得到新的仿真結果，結果如圖8和圖9所示。

可見，通過容差分配方案的迭代優化，固定前緣外形容差的仿真結果為-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然滿足控制目標要求；間隙的分析結果為-0.2 mm/+0.5 mm，在允許0.2 mm修錯的情況下，基本符合控制要求。因此，改進后的容差分配方案基本符合裝配質量要求，可以滿足實際的需要。

3 結語

在飛機裝配過程中，容差分配和裝配工藝對飛機的性能、結構裝配質量有著重要的作用，可見，容差優化成為飛機裝配過程的重要環節。本文闡明了容差分析和迭代優化的流程，并給出了容差優化具有評價工藝能力、提取影響因子和改進工藝的作用。通過結合商用容差分析軟件，針對某機型水平尾翼的固定前緣進行了容差分配方案優化，為實際裝配工藝方案的制定提供參考和依據。

參考文獻

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