答辩博士：李晓月
指导老师：李亮 教授/博导
论文题目：航空薄壁结构件加工变形的不确定性研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：
谭业发 教授/博导 陆军工程大学
何 宁 教授/博导 南京航空航天大学
曲宁松 教授/博导 南京航空航天大学
丁文锋 教授/博导 南京航空航天大学
曾永彬 教授/博导 南京航空航天大学
李亮 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年9月11日上午09:00
地点：腾讯会议（ID:316654144）
学位论文简介：
大型壁板、整体翼身框、大型肋缘条、超长梁等薄壁结构件在大飞机和多型战机中大量使用，对提升飞机轻量化和高强度性能具有重要推动作用。但现有薄壁结构件的加工过程存在诸多不确定性，导致工件加工后尺寸误差大、批产质量不稳定等问题。为此，本文围绕“应力–变形”力学关系，重点从应力状态不确定性和刚度演变不确定性的角度出发，研究加工系统中输入因素的不确定性对加工变形的影响。具体研究内容如下：
（1）基于多批次毛坯的初始残余应力数据，揭示了应力不确定性对加工变形的映射机制。采用最佳一致逼近多项式拟合初始残余应力曲线，多项式系数的幅值反映了初始残余应力的不平衡和不确定性特征。建立“应力—结构—变形”的数学模型，提取应力输入模块中的初始残余应力矩阵条件数，基于矩阵扰动分析理论研究矩阵条件数与加工变形的关系。统计毛坯所含应力的条件数数据及全部零件相对位置范围内的条件数数据，同时结合有限元仿真的变形量分析，确定最优毛坯及零件在毛坯中的最佳位置。
（2）基于工艺过程构形模型，研究了刚度演变对加工变形的映射机制。基于材料力学的截面刚度定义构建了结构刚度的数学模型，用弯曲挠度表征零件的最终变形量，利用六峰高斯分布函数拟合初始残余应力曲线，阐明了加工变形与刚度演变、初始残余应力的关系。利用有限元仿真和解析模型等工具，研究了侧壁精加工余量、腹板精加工余量对精加工变形的独立影响和耦合影响。研究发现，腹板对整体变形起主导作用，侧壁主要起抑制作用；为提高精加工精度，应优先控制腹板精加工余量，同时兼顾侧壁精加工余量。采集了精加工余量与相应的加工变形量数据，绘制余量优化单纯形表，提出了精加工余量最优分配策略。以壁厚2 mm的单面长桁结构件为例，腹板精加工余量和侧壁精加工余量建议取1~2 mm，且此时加工余量导致的变形量最小，为0.35 mm。
（3）系统量化了加工系统中输入参数的不确定性对加工变形的影响。基于贝叶斯网络模型，采用后验概率指标描述初始残余应力和加工残余应力的不确定性对加工变形的影响，结果发现两者的不确定性分别使加工变形增大17.8%和1.0~6.4%；基于方差的重要性测度矩阵，对表层的初始残余应力和加工残余应力对加工变形的影响进行量化评估，其影响包括独立影响和耦合影响，同时分析了两种残余应力对方差的敏感性；定义了加工变形失效的概念，提出了一种基于失效概率的重要性测度指标并构建加工变形的模糊推理模型。采用综合匹配度衡量了单位长度刚度、走刀策略和铣削力的不确定性对加工变形失效的影响，结果表明铣削力的影响最大，其综合匹配度为4.0%。
（4）提出了一种浮动装夹自适应加工方法，用于释放和消除薄壁结构件加工过程中产生的变形。开发了浮动自适应装夹—数控机床协同控制框架，该框架由五轴加工中心、动态测力仪、上位机、液压电控系统、浮动夹紧模块、零点定位模块和转角模块组成。基于3因素5水平正交试验、响应曲面设计和自适应惩罚函数，求解了最优装夹参数，同时结合优化工艺加工铝合金单面长桁结构件，最大变形量仅为0.112 mm，满足航空薄壁结构件的加工要求。
主要创新点如下：
（1）针对毛坯初始残余应力的不确定特征对薄壁结构件加工变形的影响，构造了应力映射数学模型，提取了初始残余应力矩阵条件数，探明了条件数幅值对加工变形的影响规律，并采用该方法筛选最优毛坯和零件相对位置。
（2）针对刚度演变的不确定性特征对加工变形的影响，构造了结构映射数学模型，制定了最优精加工余量分配策略，为解决航空薄壁结构件加工变形幅值高、不确定度高、变形过程不稳定等问题提供理论基础。
（3）提出了一种不确定性加工系统数学模型建模方法（加工变形贝叶斯网络模型），实现了由加工系统输入参数的不确定性获得系统输出的不确定性，进而基于方差的重要性分析方法和基于失效概率的重要性分析方法，实现了对加工系统中输入参数不确定性对加工变形的影响程度进行排序，并根据重要性测度分析，提出了控制加工变形的工艺方案。
（4）提出了一种浮动装夹自适应加工方法，构建了浮动自适应装夹系统—数控机床协同控制框架，评估了定位点、夹紧点及夹紧力幅值对加工变形稳定控制的调节作用，并结合优化加工工艺，形成了航空薄壁结构件高效稳定加工方案。
