指导教师：安鲁陵 教授/博导
论文题目：面向装配的飞机复合材料壁板变形分析与调控技术研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：陆宝春 教授/博导 南京理工大学
周来水 教授/博导 南京航空航天大学
张丽艳 教授/博导 南京航空航天大学
黄 翔 教授/博导 南京航空航天大学
王小平 教授/博导 南京航空航天大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王志国 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年07月01日09:00
地点：南航明故宫校区15-341
学位论文简介：
在现代航空工业中，复合材料凭借其优异的综合性能而得到了大量应用，其应用范围也逐渐由次承力结构向主承力结构扩展。目前，在飞机上大量采用复合材料整体壁板来代替传统的金属组装壁板，这可在一定程度上减少零件数目、降低壁板整体重量，并提高壁板的强度和刚度。但是由于复合材料壁板成型工艺的限制，导致制造完成后的壁板厚度、平面度、角度等尺寸和形状偏差较大，这种制造偏差的存在易出现装配不协调的问题，且会影响飞机的气动外形准确度。在飞机装配中，通常以具有理论形状的卡板为基准，通过卡板对壁板表面施加一定的夹紧力以调节壁板形状，补偿因制造误差造成的尺寸变形，但是夹紧力的施加方式主要依赖经验，难以保证在不损伤复合材料结构的前提下，实现对壁板外形偏差的合理有效调控。针对上述问题，本文面向飞机复合材料整体壁板与其他结构件的装配需求，从分析复合材料壁板装配受力时的变形特性出发，研究并提出复合材料壁板外形偏差的调控策略，以及面向装配的壁板位姿优化调整算法，为保证复合材料壁板的外形准确度并提高装配件间的协调性提供了一种可行的方法。
主要完成的工作如下:
（1）在飞机装配中复合材料壁板外形与位姿调控总体方法的建立。根据飞机复合材料壁板的结构特点以及与其他结构件的装配需求，基于“N-2-1”定位原理，构建了适用于复合材料壁板的“（3+M）-2-1”定位方法，并据此规划了以智能算法为核心的复合材料壁板外形控制与位姿优化调整策略。将壁板的装配调整过程分为外形调整和位姿调整两大部分，并基于壁板装配调整的需求，设计了一种多点阵式的复合材料壁板柔性夹持工装系统结构。
（2）飞机复合材料壁板的装配受力变形预测代理模型的构建。根据壁板的初始定位状态分析了壁板零件的外形偏差，并基于最小势能原理推导了复合材料壁板装配受力变形关系。在此基础之上，建立了表示壁板表面夹紧力与壁板变形之间映射关系的预测模型，并基于复合材料结构的损伤判定准则，研究了壁板表面所能承受的夹紧力限值。通过复合材料壁板的参数化有限元模型以及拉丁超立方试验设计获取了建立预测模型所需的训练数据和测试数据，并基于偏最小二乘回归方法构建了壁板表面夹紧力与壁板变形之间的预测代理模型。
（3）飞机复合材料壁板外形调控方法的构建。在已建立的壁板表面夹紧力与壁板外形偏差的预测代理模型基础上，构建了综合考虑几何外形和装配应力的复合材料壁板表面夹紧力布局的多目标分层优化模型。首先，提出一种改进的二进制粒子群优化算法对壁板表面夹紧力的布局进行优化选择。然后基于最优布局，采用带精英策略的非支配排序遗传算法对夹紧力的大小进行优化求解，并利用所得Pareto最优解集为壁板的外形调控提供理论指导。
（4）面向装配的飞机复合材料壁板位姿优化方法的构建。采用分步对齐的优化策略来调整壁板与骨架之间的相对位姿，以实现对装配件贴合区域间隙量的主动控制。推导了壁板与骨架进行粗配准对齐时的坐标系转换公式；以壁板当前位姿为设计变量，以壁板与骨架贴合面上装配间隙总量最小为优化目标，以给定的装配间隙容差为约束条件，建立了壁板精确调整阶段的位姿优化模型。采用增广拉格朗日与粒子群相结合的优化算法对模型进行求解，所得最优位姿用于指导壁板与骨架的协调定位，以优化装配间隙的分布情况。
（5）为验证本文所提出的壁板外形偏差校正、壁板装配位姿协调优化等方法的可行性和正确性，设计并搭建了飞机复合材料壁板外形与位姿调整总体试验平台。结合典型飞机复合材料翼盒结构的装配过程，进行相关试验研究，通过现场试验数据与仿真计算结果的对比分析，验证了本文所提方法具有良好的工程应用性。
主要创新点如下：
（1）针对飞机复合材料壁板的结构特点以及与其他结构件的装配需求，提出适用于复合材料壁板的“（3+M）-2-1”定位方法，并设计了一种适用于复合材料壁板的多点阵式柔性夹紧工装。
（2）构建了飞机复合材料壁板的装配受力变形预测代理模型，以反映夹紧机构的夹紧力大小与壁板变形之间的映射规律，从而可以合理控制并减小壁板外形偏差。
（3）提出了几何外形和装配应力的双重评价标准，建立以夹紧力的布局和力大小为设计变量的多目标优化方法，实现在有效减少壁板外形偏差的同时，降低结构内部装配应力水平，以提高结构的装配质量。
（4）提出一种基于实测数据的壁板装配位姿协调方法，通过调整壁板和骨架之间的相对位姿，来主动控制壁板-骨架贴合度偏差，减小装配间隙总量。
