大型整体式工装主体结构及其支点布设与支反力预紧方法

1.本技术涉及大型工装设计与制造技术，特别是大型整体式工装主体结构及其支点布设与支反力预紧方法。


背景技术：

2.飞机工装是飞机制造、检验、维护和返修的基准，可以说，没有飞机工装，就制造不出合格的飞机。对飞机工装而言，最重要的技术指标是控制小变形——要求一台十米以上的大型整体式飞机工装主体结构在以年为单位的时间长度范围内的变形量控制在0.127mm以内。然而，导致大型整体式飞机工装主体结构发生小变形的因素较多，其中最重要的一条是：支点布设不合理以及支点支反力没有预紧到一个合理的范围。在工程实际中，由于缺乏相应的操作规范，操作者常常以直觉对支点支反力进行预紧，经常出现有的支点支反力预紧过大，大到突破了材料的屈服强度，而有的支点支反力预紧又过小，小到只是一个虚支点，没有支反力。在这种情况下，大型整体式飞机工装主体结构在以季度甚至以月为单位的较短时间范围内就发生了较大的应力释放和蠕变，当变形量超过0.127mm时，大型整体式飞机工装主体结构将失效，须提前进行返修。
3.因此，为了尽可能抑制因受力不均导致的较短时间范围内大型整体式飞机工装主体结构的小变形问题，本技术公开大型整体式工装主体结构及其支点布设与支反力预紧方法。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了大型整体式工装主体结构及其支点布设与支反力预紧方法，支点布设方法公开了支点布设的顺序步骤和支点布设密度，支反力预紧方法公开了支点支反力的算法，以及支反力预紧顺序。通过实施上述方法，不仅提高了支点的约束刚度，而且大幅简化了支点支反力的计算与预紧过程，契合工程实际需求。
5.大型整体式工装主体结构包括整体底盘、龙门框架和n(n≥4)个支点。其中整体底盘是由多个横管材和纵管材组合而成的井字形网格结构，网格结构的结点处一般都是螺栓连接或者焊接，整体底盘是大型整体式工装主体结构稳定性和抑制小尺寸变形的最重要结构。龙门框架是由多个立柱和上部横梁组成的具有一定跨度的龙门结构，龙门框架是大型整体式工装主体结构的重要组成部分。n个支点通过螺纹传动副连接在整体底盘的下方，龙门框架通过立柱固定在整体底盘的上方。
6.大型整体式工装主体结构的支点布设方法，包括以下具体过程：
7.选取整体底盘下方所有的网格结点，支点仅布设在网格结构的网格结点处；首先将支点布设在整体底盘外围角网格结点处，然后将支点布设在整体底盘外围边网格结点处，最后将支点布设在整体底盘内部网格结点处；使紧邻立柱两侧支点的间距介于整体底盘的横管材或纵管材的高度尺寸的三倍到五倍之间；其它相邻两支点的间距介于整体底盘的横管材或纵管材的高度尺寸的五倍到十倍之间；
8.大型整体式工装主体结构的支点支反力预紧方法，包括以下步骤：
9.步骤1对由整体底盘重量所产生的支点的支反力进行预紧，包括以下步骤：
10.(1-1)获取整体底盘的重量，设重量为g1；
11.(1-2)构建由整体底盘重量产生的各个支点的支反力权重分配算法以及计算整体底盘重量的总权重，其具体过程为：
12.设处于整体底盘外围角支点的数量为m，外围角支点的支反力权重系数取1，设处于整体底盘外围边支点的数量为n，外围边支点的支反力权重系数取2.5，设处于整体底盘内部支点的数量为p，内部支点的支反力权重系数取6.3，将所有支点的支反力权重系数相加得到整体底盘重量的总权重m1：
13.m1＝m+2.5n+6.3p
14.(1-3)对由整体底盘重量所产生的支点的支反力进行预紧，其具体过程为：
15.将处于整体底盘外围角的每个支点的支反力预紧到将处于整体底盘外围边的每个支点的支反力预紧到将处于整体底盘内部的每个支点的支反力预紧到
16.步骤2对由龙门框架重量所产生的支点的支反力进行第二次预紧，包括以下步骤：
17.(2-1)获取龙门框架的重量，设重量为g2；
18.(2-2)构建由龙门框架重量产生的各个立柱的受力权重分配算法以及计算龙门框架重量的总权重，其具体过程为：
19.设处于龙门框架外围角立柱的高度分别为h1、h2、
…
、hi，其中i大于等于2，外围角立柱的受力权重系数取1，设处于龙门框架外围边立柱的高度分别为s1、s2、
…
、sj，j大于等于0，当j＝0时，表明没有外围边立柱，外围边立柱的受力权重系数取2.5，设处于龙门框架内部立柱的高度分别为t1、t2、
…
、tk，k大于等于0，当k＝0时，表明没有内部立柱，内部立柱的受力权重系数取6.3，将所有立柱的高度与其权重系数相乘后再进行相加，得到龙门框架重量的总权重m2：
20.m2＝(h1+h2+
…hi
)+2.5(s1+s2+
…
sj)+6.3(t1+t2+
…
tk)
21.(2-3)构建各个立柱的受力算法：处于龙门框架外围角立柱的受力为处于龙门框架外围边立柱的受力为处于龙门框架内部立柱的受力为
22.(2-4)获取各个立柱中心线到相邻两支点的最小距离：设龙门框架外围角第i个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和设龙门框架外围边第j个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和设龙门框架内部第k个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和
23.(2-5)对由龙门框架重量所产生的支点支反力进行预紧，其具体过程为：
24.将与第i个立柱的中心线相距为的龙门框架外围角支点的支反力的增量预紧到将与第i个立柱的中心线相距为的龙门框架外围角支点的支反力的增量预紧到将与第j个立柱的中心线相距为的龙门框架外围边支点的支反力的增量预紧到将与第j个立柱的中心线相距为的龙门框架外围边支点的支反力的增量预紧到将与第k个立柱的中心线相距为的龙门框架内部支点的支反力的增量预紧到将与第k个立柱的中心线相距为的龙门框架内部支点的支反力的增量预紧到
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点和显著效益：
26.(1)通过优化支点布设，提高了支点的约束刚度。将支点布设在网格结点处，与布设在非结点处相比，工程实践表明能有效提高了支点的约束刚度，抑制了大型整体式工装主体结构的小变形。
27.(2)大幅简化了支点支反力的计算与预紧过程。基于有限元计算的大型整体式工装支点支反力是一种常见的支反力求解方法，但是该方法涉及到大量复杂的有限元建模和前处理工作，效率很低，本技术与该方法相比，计算精度虽有所降低但是效率却大幅提升，非常契合工程实际需求。
28.以下结合实施例附图对本技术做进一步详细描述：
附图说明
29.图1是大型整体式工装主体结构示意图
30.图2是整体底盘示意图
31.图3是龙门框架示意图
32.图4是支点布设示意图
33.图5是支点局部放大示意图
34.图中编号说明：1整体底盘、2龙门框架、3立柱、4横梁、5支点、6横管材、7纵管材、8螺栓、9垫块、10螺母、11网格结点、12外围角立柱、13外围边立柱、14外围角支点、15外围边支点、16内部支点、17通孔、18焊缝、19螺纹传动副、20扳手口、21扁球窝、22扁球头、23球铰运动副
具体实施方式
35.本实施例以用于某飞机装配制造的大型整体式工装主体结构为例，说明其结构形
式，以及支点布设方法和支反力预紧方法。
36.如图1所示，大型整体式飞机工装主体结构含有整体底盘1、龙门框架2和n(n≥4)个支点5。本实施例的大型整体式飞机工装主体结构长约24.5m，宽约9.5m，高约7.8m，总重约80t。
37.如图2所示，整体底盘1是由多个横管材6和纵管材7组合而成的井字形网格结构，网格结构的结点处一般采用螺栓连接或者焊接，网格结点11是指横管材6和纵管材7的交互点。整体底盘1是保证大型飞机工装主体结构稳定性和抑制小尺寸变形的最重要结构。本实施例中横管材6和纵管材7的横截面的高度尺寸均为800mm，整体底盘的重量约为520000n。
38.如图3所示，龙门框架2是由多个立柱3和上部横梁4组成的具有一定跨度的龙门结构，龙门框架2是大型整体式飞机工装主体结构的重要组成部分。本实施例中共有8根立柱3，其中外围角立柱12有4根，外围边立柱13有4根，无内部立柱，龙门框架的重量约为300000n。
39.如图1、图4和图5所示，n个支点5通过螺纹传动副19连接在整体底盘1的下方，整体底盘1的下方设有穿插螺栓8的通孔7，龙门框架2通过立柱固定在整体底盘的上方。支点5含有螺母10、螺栓8和垫块9，其中螺母10通过焊接固定在整体底盘1的下表面，整体底盘1的下表面与螺母10之间为焊缝18，螺栓8的一端设有扁球头22，垫块9放置在水平地面上，垫块9的中间设有扁球窝21，螺栓8和螺母10构成螺纹传动副19，螺栓8和垫块9构成球铰运动副23。通过扳手插入螺栓8的扳手口20，旋转螺栓，可控制螺栓8与螺母10的相对位置，从而实现对支点支反力的预紧。本实施例中共有28个支点5，其中外围角支点14有4个，外围边支点有14个，内部支点16有10个。
40.大型整体式飞机工装主体结构的支点布设方法，包括以下步骤：
41.步骤1选取整体底盘1下方所有的网格结点11，支点5仅布设在网格结点11处；
42.步骤2首先布设位于整体底盘1外围角网格结点11处的支点，然后布设位于整体底盘1外围边网格结点11处的支点，最后布设整体底盘1内部网格结点11处的支点；
43.步骤3相邻两个支点之间如果有立柱3，两个支点5的间距控制在整体底盘1的横管材6或纵管材7的高度尺寸的三倍到五倍之间；
44.步骤4相邻两个支点5之间如果没有立柱3，两个支点5的间距控制在整体底盘1的横管材6或纵管材7的高度尺寸的五倍到十倍之间。
45.本实施例中，整体底盘1长度方向两支点的间距为4000mm，为纵管材7的高度尺寸的五倍，整体底盘1长度方向两支点间没有立柱3；宽度方向两支点的间距为3000mm，为横管材6的高度尺寸的约四倍，龙门框架2的立柱3均设置在整体底盘1宽度方向的两支点之间。
46.大型整体式飞机工装主体结构的支点支反力预紧方法，包括以下步骤：
47.步骤1对由整体底盘1重量所产生的支点支反力进行预紧，包括以下步骤：
48.1-1获取整体底盘1的重量，设重量为g1，本实施例中g1＝520000n；
49.1-2构建由整体底盘1重量产生的各个支点的支反力权重分配算法以及计算整体底盘1重量的总权重：设处于整体底盘1外围角支点的数量为m，外围角支点14的支反力权重系数取1；设处于整体底盘1外围边支点数量为n，外围边支点15的支反力权重系数取2.5；设处于整体底盘1内部支点16的数量为p，内部支点16的支反力权重系数取6.3；将所有支点的支反力权重系数相加得到整体底盘1重量的总权重m1：
50.m1＝m+2.5n+6.3p
51.本实施例中，整体底盘1外围角支点数量m＝4，整体底盘1外围边支点数量n＝14，整体底盘1内部支点16的数量p＝10，整体底盘1重量的总权重m1＝102。
52.1-3对由整体底盘1重量所产生的支点支反力进行预紧：将处于整体底盘1外围角的每个支点的支反力预紧到将处于整体底盘1外围边的每个支点的支反力预紧到将处于整体底盘1内部的每个支点的支反力预紧到
53.本实施例中，需要将整体底盘1外围角的4个支点的支反力分别预紧到5098n，将处于整体底盘1外围边的14个支点的支反力分别预紧到12745n，将处于整体底盘1内部的10个支点的支反力分别预紧到32117n。
54.步骤2将龙门框架固定连接在整体底盘上；
55.步骤3对由龙门框架2重量所产生的支点的支反力进行预紧，包括以下步骤：
56.3-1获取龙门框架2的重量，设重量为g2，本实施例中g2＝300000n；
57.3-2构建由龙门框架2重量产生的各个立柱的受力权重分配算法和计算龙门框架2重量的总权重：设处于龙门框架2外围角立柱的高度分别为h1、h2、
…
、hi(i≥2)，外围角立柱12的受力权重系数取1；设处于龙门框架2外围边立柱的高度分别为s1、s2、
…
、sj(j≥0，当j＝0时，表明没有外围边立柱)，外围边立柱13的受力权重系数取2.5；设处于龙门框架2内部立柱的高度分别为t1、t2、
…
、tk(k≥0，当k＝0时，表明没有内部立柱)，外围边立柱13的受力权重系数取6.3；将所有立柱的高度及其权重系数相乘后再进行累加，得到龙门框架2重量的总权重m2：
58.m2＝(h1+h2+
…hi
)+2.5(s1+s2+
…
sj)+6.3(t1+t2+
…
tk)
59.本实施例中，龙门框架2外围角立柱有4根，高度分别为h1＝h2＝6.25m，h3＝h4＝2.34m；龙门框架2外围边立柱有4根，高度分别为s1＝s2＝5.32m，s3＝s4＝3.83m；龙门框架2内部没有立柱，即t1＝t2＝t3＝t4＝0；龙门框架2重量的总权重m2＝62.93m。
60.3-3构建各个立柱的受力算法：处于龙门框架2外围角立柱的受力为处于龙门框架2外围边立柱的受力为处于龙门框架2内部立柱的受力为
61.本实施例中，本实施例中，处于龙门框架2外围角的2根高度为6.25m的立柱分别受力29795n，处于龙门框架2外围角的2根高度为2.34m的立柱分别受力11155n，处于龙门框架2外围边的2根高度为5.32m的立柱分别受力63405n，处于龙门框架2外围边的2根高度为3.83m的立柱分别受力45645n。
62.3-4获取各个立柱中心线到相邻两支点的最小距离：设龙门框架2外围角第i个立
柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和设龙门框架外围边第j个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和设龙门框架内部第k个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和
63.本实施例中，本实施例中，也就是龙门框架2外围角的2根高度为6.25m的立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为1950mm和1050mm，龙门框架2外围角的2根高度为2.34m的立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为1950mm和1050mm，龙门框架2外围边的2根高度为5.32m的立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为1950mm和1050mm，龙门框架2外围角的2根高度为3.83m的立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为1950mm和1050mm。
64.3-5对由龙门框架2重量所产生的支点的支反力进行预紧：将与第i个立柱的中心线相距为的龙门框架2外围角支点的支反力的增量预紧到将与第i个立柱的中心线相距为的龙门框架外围角支点的支反力的增量预紧到将与第j个立柱的中心线相距为的龙门框架外围边支点的支反力的增量预紧到将与第j个立柱的中心线相距为的龙门框架外围边支点的支反力的增量预紧到将与第k个立柱的中心线相距为的龙门框架内部支点的支反力的增量预紧到将与第k个立柱的中心线相距为的龙门框架内部支点的支反力的增量预紧到
65.本实施例中，本实施例中，本实施例中，本实施例中，本实施例中，将龙门框架2外围角的与2根高度为6.25m的
立柱的中心线相距为1950mm的支点的支反力的增量分别预紧到10430n，将龙门框架2外围角的与2根高度为2.34m的立柱的中心线相距为1950mm的支点的支反力的增量分别预紧到3905n，将龙门框架2外围角的与2根高度为6.25m的立柱的中心线相距为1050mm的支点的支反力的增量分别预紧到19365n，将龙门框架2外围角的与2根高度为2.34m的立柱的中心线相距为1050mm的支点的支反力的增量分别预紧到7250n，将龙门框架2外围边的与2根高度为5.32m的立柱的中心线相距为1950mm的支点的支反力的增量分别预紧到22190n，将龙门框架2外围边的与2根高度为3.83m的立柱的中心线相距为1950mm的支点的支反力的增量分别预紧到15975n，将龙门框架2外围边的与2根高度为5.32m的立柱的中心线相距为1050mm的支点的支反力的增量分别预紧到41210n，将龙门框架2外围边的与2根高度为3.83m的立柱的中心线相距为1050mm的支点的支反力的增量分别预紧到29665n。
66.与现有技术相比，本发明具有以下优点和显著效益：
67.(1)通过优化支点布设，提高了支点的约束刚度。将支点布设在网格结点处，与布设在非结点处相比，实践表明能显著提高了支点的约束刚度。
68.(2)大幅简化了支反力的计算与预紧过程。基于有限元计算大型整体式工装的支点支反力是一种常见的支反力求解方法，但是该方法涉及到大量复杂的有限元建模和前处理工作，效率很低，本技术与该方法相比，计算精度有所降低但是效率却大幅提升，非常契合工程实际需求。

技术特征：
1.大型整体式工装主体结构，其特征在于包括整体底盘、龙门框架和n个支点，其中n不小于4，所述整体底盘是由多个横管材和纵管材组合而成的井字形网格结构，所述龙门框架是由多个立柱和上部横梁组成的龙门结构，n个支点通过螺纹传动副连接在整体底盘的下方，龙门框架通过立柱固定在整体底盘的上方。2.使用权利要求1所述的大型整体式工装主体结构进行支点布设的方法，其特征在于包括以下过程：选取整体底盘下方所有的网格结点，支点仅布设在井字形网格结构的结点处；首先将支点布设在整体底盘外围角网格结点处，然后将支点布设在整体底盘外围边网格结点处，最后将支点布设在整体底盘内部网格结点处；使紧邻立柱两侧支点的间距介于整体底盘的横管材或纵管材的高度尺寸的三倍到五倍之间；其它相邻两支点的间距介于整体底盘的横管材或纵管材的高度尺寸的五倍到十倍之间。3.使用权利要求1所述的大型整体式工装主体结构进行支点支反力预紧的方法，包括以下步骤：3-1对由整体底盘重量所产生的支点支反力进行预紧；3-2将龙门框架固定连接在整体底盘上；3-3对由龙门框架重量所产生的支点支反力进行第二次预紧。4.根据权利要求3所述的大型整体式工装主体结构进行支点支反力预紧的方法，其特征在于所述的步骤3-1对由整体底盘重量所产生的支点支反力进行预紧，包括以下步骤：4-1获取整体底盘的重量，设重量为g1；4-2构建由整体底盘重量产生的各个支点的支反力权重分配算法以及计算整体底盘重量的总权重，其特征在于包括以下具体过程：设处于整体底盘外围角支点的数量为m，外围角支点的支反力权重系数取1，设处于整体底盘外围边支点的数量为n，外围边支点的支反力权重系数取2.5，设处于整体底盘内部支点的数量为p，内部支点的支反力权重系数取6.3，将所有支点的支反力权重系数相加得到整体底盘重量的总权重m1：m1＝m+2.5n+6.3p4-3对由整体底盘重量所产生的支点的支反力进行预紧，其特征在于包括以下过程：将处于整体底盘外围角的每个支点的支反力预紧到将处于整体底盘外围边的每个支点的支反力预紧到将处于整体底盘内部的每个支点的支反力预紧到5.根据权利要求3所述的大型整体式工装主体结构进行支点支反力预紧的方法，其特征在于所述的步骤3-3对由龙门框架重量所产生的支点支反力进行第二次预紧，包括以下步骤：5-1获取龙门框架的重量，设重量为g2；5-2构建由龙门框架重量产生的各个立柱的受力权重分配算法以及计算龙门框架重量的总权重，其特征在于包括以下具体过程：设处于龙门框架外围角立柱的高度分别为h1、h2、
…
、h
i
，其中i大于等于2，外围角立柱
的受力权重系数取1，设处于龙门框架外围边立柱的高度分别为s1、s2、
…
、s
j
，j大于等于0，外围边立柱的受力权重系数取2.5，当j＝0时，表明没有外围边立柱，设处于龙门框架内部立柱的高度分别为t1、t2、
…
、t
k
，k大于等于0，内部立柱的受力权重系数取6.3，当k＝0时，表明没有内部立柱，将所有立柱的高度与其权重系数相乘后再进行相加，得到龙门框架重量的总权重m2：m2＝(h1+h2+
…
h
i
)+2.5(s1+s2+
…
s
j
)+6.3(t1+t2+
…
t
k
)5-3构建各个立柱的受力算法：处于龙门框架外围角立柱的受力为处于龙门框架外围边立柱的受力为处于龙门框架内部立柱的受力为5-4获取各个立柱中心线到相邻两支点的最小距离：设龙门框架外围角第i个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和设龙门框架外围边第j个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和设龙门框架内部第k个立柱的中心线到相邻两支点的最小距离分别为和5-5对由龙门框架重量所产生的支点支反力进行第二次预紧，其特征在于包括以下具体过程：将与第i个立柱的中心线相距为的龙门框架外围角支点的支反力的增量预紧到将与第i个立柱的中心线相距为的龙门框架外围角支点的支反力的增量预紧到将与第j个立柱的中心线相距为的龙门框架外围边支点的支反力的增量预紧到将与第j个立柱的中心线相距为的龙门框架外围边支点的支反力的增量预紧到将与第k个立柱的中心线相距为的龙门框架内部支点的支反力的增量预紧到将与第k个立柱的中心线相距为的龙门框架内部支点的支反力的增量预紧到

技术总结
本发明公开了大型整体式工装主体结构及其支点布设与支反力预紧方法，大型整体式工装主体结构含有整体底盘、龙门框架和N(N≥4)个支点，所述整体底盘是由多个横管材和纵管材组合而成的井字形网格结构，所述龙门框架是由多个立柱和上部横梁组成的龙门结构，N个支点通过螺纹传动副连接在整体底盘的下方，龙门框架通过立柱固定在整体底盘的上方；大型整体式工装主体结构的支点布设方法包括网格结点的选取和支点间距的控制；大型整体式工装主体结构的支点支反力预紧方法包括整体底盘重量的支反力预紧和龙门框架的支反力预紧。反力预紧和龙门框架的支反力预紧。反力预紧和龙门框架的支反力预紧。


技术研发人员：巴晓甫 薛红前 李西宁
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/4/4