周才華，王 博，柯熊鋼，郝 鵬，杜凱繁

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化與CAE軟件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

0 引言

大型承載結(jié)構(gòu)作為運(yùn)載火箭[1]等大型裝備結(jié)構(gòu)的主要骨架，其試驗(yàn)技術(shù)成為大型裝備結(jié)構(gòu)的重大關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，隨著大型裝備結(jié)構(gòu)朝著大型化、精細(xì)化以及承載能力極端化方向發(fā)展[2]，大型承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)考核愈發(fā)接近結(jié)構(gòu)的承載極限，且更加關(guān)注試驗(yàn)的量化結(jié)果，試驗(yàn)系統(tǒng)的裝配測(cè)量和調(diào)控精度的要求也隨之增高[3]。因此，面向大型承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能考核試驗(yàn)開展高精度裝配調(diào)控方法研究，對(duì)提升試驗(yàn)考核精度非常重要。

近年來，傳統(tǒng)量化大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝配精度的方法主要依賴于技術(shù)人員通過傳統(tǒng)測(cè)量手段對(duì)結(jié)構(gòu)裝配位置與誤差進(jìn)行測(cè)量，無法精準(zhǔn)保證裝配位置的同時(shí)，也難以量化裝配誤差[4-5]，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無法實(shí)現(xiàn)對(duì)大型承載結(jié)構(gòu)的精細(xì)化考核。在控制裝配精度方面，國(guó)內(nèi)外已有大量的方法，其中不可或缺的技術(shù)便是坐標(biāo)精確測(cè)量、定位以及裝配誤差值的獲取與降低。如商飛公司采用光學(xué)掃描的方法，克服了復(fù)雜環(huán)境下大型承載結(jié)構(gòu)間裝配間隙難以測(cè)量的難題[6]，以及利用數(shù)字化測(cè)量方法量化艙段類大部件在裝配中的變形及裝配誤差[7]。An等[8]針對(duì)微小零件提出一種三向正交視覺系統(tǒng)，根據(jù)零件特征檢測(cè)零件的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)裝配過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)。工業(yè)上裝配測(cè)量技術(shù)發(fā)展較為成熟，但相關(guān)方法鮮有在大型試驗(yàn)上得到應(yīng)用。NASA采用鉛錘測(cè)量方法對(duì)大型筒殼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的裝配精度進(jìn)行測(cè)量[9]，此種測(cè)量方法雖能定位結(jié)構(gòu)裝配位置但無法量化結(jié)構(gòu)裝配偏差，影響最終考核試驗(yàn)結(jié)果分析。因此，借助工業(yè)上現(xiàn)有的成熟測(cè)量技術(shù)，將高精度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，對(duì)提高試驗(yàn)考核精度是十分必要的。

此外，提高大型承載試驗(yàn)考核精度不能僅依靠高精度測(cè)量方法，還需對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)中裝配結(jié)構(gòu)位置實(shí)現(xiàn)高精度控制。為提高大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)考核精度，在大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中應(yīng)用高精度調(diào)控方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)大型承載結(jié)構(gòu)高精度試驗(yàn)考核有重要的啟發(fā)借鑒作用。如德國(guó)航空航天中心[10-11]針對(duì)筒殼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)采用自動(dòng)液壓夾具調(diào)整方法，對(duì)試驗(yàn)過程中的加載位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，降低結(jié)構(gòu)裝配間隙誤差，提高結(jié)構(gòu)試驗(yàn)考核精度。另外，法國(guó)空客公司[12]以及巴西航空工業(yè)公司[13]為降低民機(jī)承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的加載誤差，分別采用隨動(dòng)調(diào)控的方式對(duì)承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的加載位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，獲得更為理想精確的試驗(yàn)結(jié)果。從上述內(nèi)容可以看出，基于目前在工業(yè)裝配領(lǐng)域中已獲得成熟應(yīng)用的調(diào)控方法，高精度調(diào)控方法也在大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載過程中得到了進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用，而針對(duì)大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前裝配位置的高精度測(cè)量調(diào)控卻鮮有應(yīng)用。因此，為更進(jìn)一步提高大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)裝配精度并量化裝配誤差，亟須開展對(duì)大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)的高精度裝配調(diào)控方法研究，實(shí)現(xiàn)大型承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能試驗(yàn)高精度考核。

本文以直徑0.6 m開口筒殼為例，分析了相對(duì)位移誤差、角度誤差對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生的影響，表明高精度量化試驗(yàn)系統(tǒng)裝配方法研究的必要性。提出了裝配調(diào)控方法框架及原理，開展了直徑0.6 m開口、直徑1.6 m筒殼裝配精度調(diào)控試驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)直尺測(cè)量方法，驗(yàn)證本文所提出方法的先進(jìn)性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝配誤差對(duì)大型承載結(jié)構(gòu)承載力影響

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及建模

以直徑0.6 m開口筒為例，分別研究裝配位移誤差、角度誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響。具體幾何尺寸如圖1所示，鋁合金材料的彈性模量為70 GPa、泊松比為0.30、屈服強(qiáng)度為320 MPa。

圖1 直徑0.6 m筒殼具體幾何尺寸

建立筒殼承載力數(shù)值分析模型，如圖2所示。下端框所有自由度固定、上端框耦合至參考點(diǎn)，固定參考點(diǎn)X，Y方向上的位移，放松Z方向的位移以及3個(gè)方向的轉(zhuǎn)角，在參考點(diǎn)上施加3 mm位移，加載速度為40 mm/s，采用S4R縮減積分單元，網(wǎng)格數(shù)量為23 820個(gè)。

圖2 開口筒殼承載力數(shù)值分析模型

1.2 位移誤差對(duì)直徑0.6 m開口筒殼承載力影響

為模擬裝配位移誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響，基于上述數(shù)值分析模型，通過改變參考點(diǎn)位置，從而改變加載點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)不同裝配位移誤差下結(jié)構(gòu)承載力分析。參考點(diǎn)y坐標(biāo)依次取-25，-15，-5，0，5，15，25等值，計(jì)算得到筒殼承載力值結(jié)果如表1所示，y取0為表示裝配位移誤差為0，此時(shí)筒殼承載力為444.9 kN。表中結(jié)果顯示，承載力誤差隨相對(duì)裝配誤差的增加而增加，因此，試驗(yàn)系統(tǒng)裝配位移誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有一定程度的影響，且隨著裝配位移誤差增加而增加。

表1 裝配位移誤差對(duì)承載力影響

1.3 角度誤差對(duì)直徑0.6 m開口筒殼承載力影響

為模擬裝配角度誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響，在進(jìn)行軸向加載之前，在端面施加轉(zhuǎn)角位移θ(繞Y軸旋轉(zhuǎn))，通過改變轉(zhuǎn)角位移大小，實(shí)現(xiàn)不同裝配角度誤差下結(jié)構(gòu)承載力分析。分別設(shè)置0°，0.04°，0.08°，0.12°，0.16°，0.20°角度裝配誤差，計(jì)算得到筒殼承載力值結(jié)果如表2所示。角度為0.20°時(shí)承載力降低了約38.2%，且極限承載力隨角度誤差增加而降低，表明裝配角度誤差對(duì)筒殼承載能力具有顯著影響[14]。

表2 裝配角度誤差對(duì)承載力影響

2 高精度大型承載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)裝配調(diào)控方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)高精度裝配過程

試驗(yàn)系統(tǒng)高精度裝配調(diào)控過程如圖3所示。首先，測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置坐標(biāo)，建立局部坐標(biāo)系(測(cè)量設(shè)備)和整體坐標(biāo)系(試驗(yàn)平臺(tái))轉(zhuǎn)換關(guān)系。其次，測(cè)量裝配件標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)，建立裝配件理論和實(shí)際位置轉(zhuǎn)換關(guān)系。進(jìn)而，基于裝配件實(shí)際與理論位置坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算實(shí)際與理論位置的裝配誤差，若裝配誤差不滿誤差要求，則需結(jié)合機(jī)械推動(dòng)以及位移測(cè)量等設(shè)備實(shí)現(xiàn)裝配位置調(diào)控，調(diào)控完成后還需再次執(zhí)行試驗(yàn)件位置測(cè)量、轉(zhuǎn)配誤差分析、位置調(diào)控等步驟，直至滿足誤差要求，則裝配調(diào)控結(jié)束。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)高精度裝配調(diào)控

2.1.1 測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)

為統(tǒng)一局部坐標(biāo)系(測(cè)量設(shè)備)和整體坐標(biāo)系(試驗(yàn)平臺(tái))，需建立局部坐標(biāo)系和整體坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)定試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)件的整體坐標(biāo)系，利用標(biāo)識(shí)工具在試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置3個(gè)以上標(biāo)識(shí)點(diǎn)，如圖4 (a)所示，計(jì)算標(biāo)識(shí)點(diǎn)整體坐標(biāo)，通過測(cè)量設(shè)備依次測(cè)量標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)，如圖4 (b)所示，從而獲取試驗(yàn)平臺(tái)上全部標(biāo)識(shí)點(diǎn)局部坐標(biāo)。

(a)選取試驗(yàn)平臺(tái)3個(gè)以上標(biāo)識(shí)點(diǎn)

2.1.2 建立整體和局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)的n1個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)整體坐標(biāo)Pn1×3和局部坐標(biāo)Qn1×3，建立兩者坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，見公式(1)，即求解旋轉(zhuǎn)矩陣R3×3、平移矩陣T1×3，進(jìn)而測(cè)量設(shè)備測(cè)量所得局部坐標(biāo)均可轉(zhuǎn)化為平臺(tái)上的整體坐標(biāo)。

Pn1×3=R3×3×Qn1×3+T1×3

(1)

2.1.3 測(cè)量裝配件標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)

在試驗(yàn)件上設(shè)置3個(gè)以上標(biāo)識(shí)點(diǎn)，如圖5 (a)所示；且其理論坐標(biāo)已知，如圖5 (b)所示；測(cè)量設(shè)備依次測(cè)量標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)，如圖5 (c)所示，從而獲取試驗(yàn)件上全部標(biāo)識(shí)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)。

(a)選取試驗(yàn)件標(biāo)識(shí)點(diǎn)

2.1.4 建立理論和實(shí)際位置轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)裝配件的n2個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)理論坐標(biāo)pn2×3和實(shí)際坐標(biāo)qn2×3，建立兩者坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，見公式(2)，即求解旋轉(zhuǎn)矩陣r3×3、平移矩陣t1×3，進(jìn)而為計(jì)算裝配件實(shí)際與理論位置誤差提供數(shù)據(jù)。

pn2×3=r3×3×qn2×3+t1×3

(2)

2.1.5 裝配誤差分析

根據(jù)裝配件理論和實(shí)際位置坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算裝配件實(shí)際與理論位置位移誤差Δd、角度誤差Δθ，如圖6 (a)所示。

2.1.6 裝配位置調(diào)控

根據(jù)裝配件實(shí)際位置與理論位置誤差，對(duì)裝配件進(jìn)行調(diào)控，計(jì)算判斷裝配件的裝配誤差是否滿足要求。若裝配誤差滿足要求，如圖6(b)所示，調(diào)控結(jié)束。若裝配誤差不滿足要求，重復(fù)執(zhí)行上述步驟。如此反復(fù)循環(huán)，直至裝配件實(shí)際和理論坐標(biāo)系之間誤差滿足要求，調(diào)控結(jié)束。

2.2 裝配件理論與實(shí)際位置轉(zhuǎn)換關(guān)系

針對(duì)三維空間中n個(gè)點(diǎn)，全局坐標(biāo)系下(理論坐標(biāo))坐標(biāo)描述為p1，p2，…，pn，局部坐標(biāo)系下(實(shí)測(cè)坐標(biāo))坐標(biāo)描述為q1，q2，…，qn，見式(3)，這兩組坐標(biāo)之間關(guān)系表達(dá)式是：Q=RP+t。裝配件加工誤差、測(cè)量誤差導(dǎo)致R和t存在誤差，為了減小R和t的誤差，本文通過引入多個(gè)位置點(diǎn)，并基于最小二乘方法[15]的思想來求解最優(yōu)的坐標(biāo)系位置關(guān)系參數(shù)R和t，問題描述如式(4)所示。

(3)

(4)

式中，w代表權(quán)重系數(shù)，且w1+w2+…，+wn=1。

計(jì)算平移矩陣t，假設(shè)矩陣R不變，構(gòu)造最小二乘函數(shù)F(t)，見式(5)，將F(t)對(duì)t變量求導(dǎo)得式(6)，得到t的表達(dá)式(8)，將t代入式(5)得式(9)。

(5)

(6)

求導(dǎo)結(jié)果為

(7)

(8)

(9)

對(duì)點(diǎn)集pi和qi做一個(gè)減中心點(diǎn)的預(yù)處理得式(10)，代入式(9)，接著尋找矩陣R的最優(yōu)解。

(10)

(11)

假設(shè)R為正交矩陣，I為單位矩陣，即有

RTR=I

(12)

公式(11)簡(jiǎn)化后旋轉(zhuǎn)矩陣表達(dá)式為

(13)

因xi，yi為d維列矢量，RT是d維方陣，有

(14)

(15)

矩陣R的最優(yōu)解即為求解式(16)最小值

(16)

因此，需求tr(WYTRX)的最大值，作如下變化

tr(WYTRX)=tr((WYT)(RX))=tr(RXWYT)

=tr(RS)=tr(RUΣVT)

=tr(ΣVTRU)

(17)

U，R，V，M=VTRU是正交矩陣，意味著M列矢量為標(biāo)準(zhǔn)正交矢量，則有

(18)

要求值最大，必須使mii的值等于1，而M是正交矩陣，則M是單位矩陣，得到旋轉(zhuǎn)矩陣

I=M=VTRU?V=RU?R=VUT

(19)

通過判斷R行列式值進(jìn)一步判斷R是旋轉(zhuǎn)矩陣還是反射矩陣。當(dāng)det(VUT)=1時(shí)，R是旋轉(zhuǎn)矩陣；當(dāng)det(VUT)=-1時(shí)，R是反射矩陣。因此，R一般表達(dá)式為式(20)，帶入式(8)得平移矩陣t。

(20)

2.3 裝配件理論與實(shí)際位置誤差

根據(jù)計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣t，計(jì)算裝配件位置誤差Δd與角度誤差Δθ。其位置誤差為t，角度誤差按照公式(23)進(jìn)行計(jì)算[16]。

(21)

(22)

(23)

2.4 裝配件理論與實(shí)際位置調(diào)控

裝配件實(shí)際與理論的坐標(biāo)系位移誤差可以通過平移裝配件進(jìn)行消除，根據(jù)裝配件理論與實(shí)際位置坐標(biāo)系的位置偏差t，分別沿著X，Y，Z這3個(gè)軸方向進(jìn)行平移。

但是角度誤差不能用來定量指導(dǎo)裝配件的角度調(diào)整?；谛D(zhuǎn)矩陣R[17]中的9個(gè)變量只有3個(gè)是獨(dú)立的，聯(lián)立式(21)和(24)，求解α，β，γ，從裝配件的角度調(diào)整步驟示意圖如圖7所示。

圖7 實(shí)際與理論坐標(biāo)系角度調(diào)整至重合過程

(24)

(25)

3 大型承載結(jié)構(gòu)裝配精度調(diào)控試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 強(qiáng)度試驗(yàn)高精度裝配軟件(Desk.EXP.AB)

對(duì)裝配精控理論方法進(jìn)行固化集成，開發(fā)強(qiáng)度試驗(yàn)高精度裝配軟件。該軟件主要實(shí)現(xiàn)了3大功能。

該軟件的第一部分功能為平臺(tái)坐標(biāo)系與測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立，作用是將測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)(局部坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換為整體平臺(tái)坐標(biāo)(整體坐標(biāo)系)，如圖8 (a)所示。

該軟件的第二部分功能為裝配件實(shí)際坐標(biāo)系與理論位置坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立，作用是為裝配件誤差分析提供實(shí)際與理論相對(duì)位置關(guān)系，如圖8 (b)所示。

該軟件的第三部分功能為裝配件實(shí)際與理論位置裝配誤差分析與調(diào)控，用于計(jì)算裝配件實(shí)際與理論位置裝配誤差，為裝配誤差調(diào)控提供指導(dǎo)數(shù)據(jù)，如圖8 (c)所示。

3.2 裝配調(diào)控試驗(yàn)硬件設(shè)備

除了強(qiáng)度試驗(yàn)高精度裝配軟件，裝配試驗(yàn)所需試驗(yàn)硬件設(shè)備如表3所示。其主要試驗(yàn)設(shè)備包括機(jī)械臂、標(biāo)準(zhǔn)球、熱膠槍、千斤頂、激光位移傳感器等，如圖9所示。

表3 裝配試驗(yàn)設(shè)備列表

圖9 裝配試驗(yàn)設(shè)備

3.3 直徑0.6 m開口筒殼裝配調(diào)控試驗(yàn)驗(yàn)證

基于裝配調(diào)控軟件與硬件設(shè)備，開展直徑0.6 m 開口筒殼裝配調(diào)控試驗(yàn)，該試驗(yàn)主要包括以下5個(gè)步驟。

3.3.1 基于傳統(tǒng)方法進(jìn)行試驗(yàn)裝配與位置調(diào)控

為了對(duì)比本方法的精度，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)的粗裝配，以該位置為試驗(yàn)系統(tǒng)初始裝配位置。傳統(tǒng)方法難以定量測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)裝配誤差，因此，采用本方法進(jìn)行初始裝配精度測(cè)量。

3.3.2 建立機(jī)械臂坐標(biāo)和平臺(tái)整體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系

固定并明確機(jī)械臂坐標(biāo)系和平臺(tái)坐標(biāo)系，并使用標(biāo)準(zhǔn)球在試驗(yàn)平臺(tái)上建立特定數(shù)量的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，如圖10所示。然后，過機(jī)械臂逐一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球球心坐標(biāo)，獲得其在機(jī)械臂坐標(biāo)系下的實(shí)測(cè)坐標(biāo)。最后，將標(biāo)識(shí)點(diǎn)平臺(tái)坐標(biāo)和實(shí)測(cè)坐標(biāo)導(dǎo)入自研軟件，建立機(jī)械臂坐標(biāo)系和平臺(tái)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖11所示。

圖10 設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)與坐標(biāo)測(cè)量

圖11 整體-局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系建立

3.3.3 建立筒殼實(shí)際和理論位置轉(zhuǎn)換關(guān)系

隨后，在筒殼上選取一定數(shù)量的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，獲得其在平臺(tái)坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)，如圖12(a)所示。通過機(jī)械臂逐一測(cè)量筒殼對(duì)應(yīng)位置的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，如圖12(b)所示。進(jìn)而，通過上一步獲得的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得其在平臺(tái)坐標(biāo)系下的實(shí)際位置坐標(biāo)。最終，將筒殼的理論坐標(biāo)與實(shí)際位置坐標(biāo)導(dǎo)入自研軟件中進(jìn)行計(jì)算，建立試驗(yàn)件在理論位置和實(shí)際位置的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖13所示。

(a)設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)理論位置 (b)測(cè)量標(biāo)識(shí)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)

圖13 裝配件實(shí)際和理論位置轉(zhuǎn)換關(guān)系建立

3.3.4 誤差定量分析

通過自研軟件計(jì)算試驗(yàn)件理論和實(shí)際位置的初始裝配誤差，如圖14所示。針對(duì)直徑0.6 m筒殼試驗(yàn)進(jìn)行裝配誤差定量分析，可為后續(xù)精度調(diào)控提供參考依據(jù)。

圖14 傳統(tǒng)方法的裝配誤差(直徑0.6 m筒殼)

3.3.5 高精度位置調(diào)控

基于上一流程中計(jì)算獲得的裝配誤差，借助輔助工具(千斤頂和激光位移傳感器)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行調(diào)控，其調(diào)控方式如圖15所示。進(jìn)而，判斷誤差是否滿足裝配精度需求。若不滿足精度則重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)件位置、計(jì)算裝配誤差、裝配位置調(diào)控，3次迭代后滿足誤差要求，調(diào)控結(jié)束，如圖16所示。

圖15 借助輔助工具進(jìn)行位置調(diào)控 (直徑0.6 m筒殼)

圖16 本方法最終裝配誤差 (直徑0.6 m筒殼)

傳統(tǒng)方法與本方法裝配誤差的對(duì)比如表4所示。結(jié)果顯示其最大相對(duì)位移誤差從0.77%降至0.03%，最大角度誤差從0.46°降至0.10°，最大位移從4.61 mm降至0.17 mm。

表4 傳統(tǒng)方法與本方法裝配誤差對(duì)比 (直徑0.6 m筒殼)

3.4 直徑1.6 m筒殼裝配調(diào)控試驗(yàn)驗(yàn)證

按照0.6 m筒殼相同的試驗(yàn)步驟進(jìn)行直徑1.6 m 筒殼裝配調(diào)控試驗(yàn)，傳統(tǒng)方法(見圖17)與本方法(見圖18)的裝配誤差結(jié)果對(duì)比如表5所示。結(jié)果顯示其最大相對(duì)位移誤差從0.94%降至0.05%，最大角度誤差從0.93°降至0.04°，最大位移從15.00 mm降到了0.75 mm，實(shí)現(xiàn)了裝配誤差精度從厘米量級(jí)到毫米量級(jí)的提升。

表5 傳統(tǒng)方法與本方法的裝配誤差對(duì)比 (直徑1.6 m筒殼)

圖17 傳統(tǒng)方法的裝配誤差(直徑1.6 m筒殼)

圖18 本方法最終裝配誤差 (直徑1.6 m筒殼)

3.5 計(jì)算實(shí)測(cè)裝配誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響

直徑0.6，1.6 m圓柱筒殼與試驗(yàn)平臺(tái)裝配的結(jié)果見表4、表5，傳統(tǒng)方法與本方法的Z軸角度誤差均小于0.05°，這是裝配件的加工制造缺陷、試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備測(cè)量誤差、轉(zhuǎn)換關(guān)系中最小二乘算法等多種因素造成的。此外，考慮到圓柱筒殼在軸壓載荷下，X軸、Y軸的角度誤差不會(huì)對(duì)承載力造成影響，這里不考慮裝配角度對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。接下來，針對(duì)直徑0.6，1.6 m圓柱筒殼，建立考慮實(shí)測(cè)裝配位移誤差的數(shù)值分析模型，計(jì)算傳統(tǒng)方法與本方法裝配誤差下的結(jié)構(gòu)承載力，如表6所示。傳統(tǒng)方法數(shù)值分析承載力誤差分別為1.67%、1.05%，本方法承載力誤差僅為0.04%、0.00%。因此，基于本文提出的裝配精度調(diào)控方法可以降低試驗(yàn)系統(tǒng)初始裝配誤差，以及裝配誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。

表6 傳統(tǒng)方法與本方法裝配誤差導(dǎo)致的承載力誤差對(duì)比(直徑0.6，1.6 m筒殼)

4 結(jié)束語

本文以直徑0.6 m開口筒殼為例，分別設(shè)置位移、角度誤差進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力分析，分析結(jié)果顯示，位移、角度誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有影響，且隨著誤差的增加而增加。為此，本文提出了一種高精度的試驗(yàn)系統(tǒng)裝配方法，通過測(cè)量裝配件實(shí)際位置，建立其理論位置與實(shí)際位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，并定量計(jì)算試驗(yàn)件實(shí)際與理論位置的位移誤差、角度誤差。本文提出的方法已經(jīng)形成對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度試驗(yàn)高精度裝配軟件，可用于實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)裝配調(diào)控。

本文通過開展直徑0.6 m筒殼、直徑1.6 m筒殼兩個(gè)裝配調(diào)控試驗(yàn)，從定性的角度分析，相比傳統(tǒng)直尺測(cè)量與位置調(diào)控，本方法具有裝配誤差定量分析的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)方法的裝配誤差從“不可測(cè)”到“定量測(cè)量”的轉(zhuǎn)變。從定量的角度分析，直徑1.6 m圓柱筒殼最大相對(duì)位移誤差從0.94%降至0.05%，最大角度誤差從0.93°降至0.04°，最大位移誤差從15.00 mm降至0.75 mm，實(shí)現(xiàn)了裝配誤差從厘米量級(jí)到毫米量級(jí)的提升，降低了裝配誤差對(duì)承載力的影響。

隨著試驗(yàn)件尺寸從直徑0.6 m增加至1.6 m，試驗(yàn)件尺寸增長(zhǎng)了近2倍，但其最大相對(duì)位移誤差均不高于0.05%，最大角度誤差不高于0.10°，表明本文所提出方法可以推廣應(yīng)用于未來直徑更大的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)裝配調(diào)控。