本发明属于飞机装配，具体涉及一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法。
背景技术：
1、目前针对飞机壁板装配变形的研究大部分集中于装配过程中由装配条件造成的产品变形，综合考虑固化变形与装配变形的研究较少。例如，已公开的大尺寸复合材料机身壁板装配夹持布局优化方法，该方法同时考虑壁板变形、内部应力水平和工装成本对离散夹持布局进行多目标优化，以实现大型复材机身壁板高精度、高性能、低成本装配夹持定位；针对飞机壁板装配偏差的组合预测方法，该方法采用adam优化的bp神经网络预测模型和子结构技术,实现了在考虑零件初始误差的条件下,充分考虑装配关系、装配工艺等带来的偏差,精准预测壁板装配变形；飞机大部件预连接布局及多约束作用顺序优化方法，该方法基于不同预连接布局及顺序通过有限元分析和神经网络建立大部件预连接装配质量预测模型，基于该模型建立多约束作用顺序优化模型，实现对飞机大部件预连接和顺序最优化的快速查找，从而提高装配效率，减小装配间隙，提高装配质量。
2、上述方法及相关技术并未涉及固化变形对壁板装配的影响，也没有对具有特定外形特征的薄壁件进行研究，在指导齿形壁板生产过程仍有不足之处。因此，在考虑固化变形的条件下设计出合适的夹紧力布局对于提高复合材料齿形壁板装配精度具有重要意义。
3、目前，先进隐身飞机上大量采用齿形壁板结构以实现较好的隐身性能，但由于齿形壁板尺寸较大，整体呈弱刚性，在装配阶段极易受装配条件（重力场、装夹布局、装夹误差和夹紧力等）影响从而产生装配变形，造成壁板在与机体装配后形成对缝间隙和阶差，进而影响飞机表面气动外形与隐身性能；另一方面，复合材料在飞机结构中的应用比例不断提高，针对复合材料齿形壁板的成形及装配过程的研究却较少：传统齿形壁板为金属件，锯齿形边缘是在蒙皮拉伸成形后通过五坐标机床切割得到；而复材齿形壁板则是在下料环节即生产出齿形边缘的预浸料，后续固化过程中由于壁板边缘外形变化剧烈，材料内部相互作用差异显著而导致壁板固化后变形大，外形精度差。
4、针对复材齿形壁板，生产单位还处于经验型生产方式，通过反复试制得出经验数据再进行变形补偿，且进入后续装配环节较少考虑壁板初始状态的固化变形，按设计数据制造的夹具难以保证壁板的空间准确性，容易产生二次变形和超差的问题。
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，以复合材料齿形壁板为对象，从复合材料齿形壁板工艺流程出发，考虑固化变形与装配过程，基于“n-2-1”定位布局原理建立齿形壁板装配变形仿真模型；以齿形壁板整体变形和齿形区域翘曲角度变形为优化目标。本发明解决了现有技术在对复材齿形壁板进行生产时，难以保证壁板的空间准确性，容易产生二次变形和超差等问题。
3、本发明的技术方案是：一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，具体步骤如下：
4、获取复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布；
5、基于复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布，结合n-2-1定位原理，建立考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型，计算齿形区域翘曲角度与齿形壁板表面绝对平均变形值，建立复合材料齿形壁板夹紧布局优化数学模型；
6、以所述齿形区域翘曲角度与齿形壁板表面绝对平均变形值为优化目标，采用多目标灰狼优化算法，得出考虑固化变形的复合材料齿形壁板夹紧力分布的最优布局。
7、本发明的进一步技术方案是：所述获取复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布的方法为：
8、基于复合材料顺序耦合建模方法，首先建立复合材料齿型蒙皮温度-固化度仿真模型，获取固化过程中节点的固化度与温度；然后建立复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型；之后将固化度与温度作为边界条件，导入复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型，计算复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布。
9、本发明的进一步技术方案是：所述获取复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布的建模方法为：
10、构建复合材料固化动力学方程，表达式如下：
11、
12、式中，α为固化度；t为反应时间；dα/dt 为固化速率；为固化度函数； t为温度；为反应速率函数；
13、构建复合材料固化热-化学模型，表达式如下：
14、
15、式中，,,分别表示x,y,z方向的复合材料热导率；表示复合材料的密度，
16、表示复合材料比热容；表示树脂固化反应放热速率；
17、基于复合材料固化动力学方程和复合材料固化热-化学模型，建立复合材料齿型蒙皮温度-固化度仿真模型，获取复合材料齿型蒙皮固化过程中节点的固化度与温度；
18、构建复合材料时变演化模型，表达式如下：
19、
20、式中， er表示树脂的弹性模量，上标0和1分别表示树脂的未固化和固化状态；α表示固化度，表示凝胶点处的固化度；；
21、构建复合材料残余应力计算模型，表达式如下：
22、
23、式中，c为复合材料刚度矩阵；ε为总应变；εt为热应变；εc为化学应变；δt为固化温度差； β为树脂热膨胀系数；γ为化学收缩系数；δα为固化度变化量；
24、基于复合材料时变演化模型与复合材料残余应力计算模型，建立复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型；
25、将复合材料齿型蒙皮固化过程中节点的固化度与温度作为边界条件，导入复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型，计算得到复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布。
26、本发明的进一步技术方案是：所述建立考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型的方法为：
27、基于复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型计算固化变形后的复合材料齿形蒙皮，并将固化变形后的复合材料齿形蒙皮导入有限元软件中作为定位夹紧阶段的初始状态；
28、基于固化变形后的复合材料齿形蒙皮，在所述有限元软件中建立长桁、卡板及蒙皮的齿形壁板装配仿真模型；
29、结合n-2-1定位原理和蒙皮-长桁装配工艺，确定考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型的边界条件和载荷。
30、本发明的进一步技术方案是：所述考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型的边界条件和载荷为：
31、复合材料齿形蒙皮的边界条件设置：限制复合材料齿形蒙皮x方向的位移，限制复合材料齿形蒙皮底面y方向的位移，限制复合材料齿形蒙皮z方向的旋转；
32、卡板中的内卡板的边界条件设置：内卡板设为刚体，绑定参考点并设置为完全固定；
33、长桁的边界条件设置：限制长桁两端x和y方向的位移；
34、设置对复合材料齿形蒙皮施加的夹紧力，在复合材料齿形蒙皮外表面建立m个参考点，将m个参考点与复合材料齿形蒙皮外形绑定，对参考点施加集中力载荷，方向沿z轴正方向。
35、本发明的进一步技术方案是：所述建立复合材料齿形壁板夹紧布局优化数学模型的方法为：
36、确立复合材料齿形壁板夹紧布局为设计变量，用各个夹紧点的坐标表示夹紧布局，表达式如下：
37、
38、式中， x为设计变量，表示第i个夹紧点的位置坐标， n表示夹紧点的数量；
39、以齿形区域翘曲角度和齿形壁板表面绝对平均变形值为优化目标，构建优化目标函数；齿形区域翘曲角度的函数表达式为：
40、
41、
42、式中，为理论平面与最佳拟合平面的夹角；为第i＇个齿形区域的翘曲角度值； h为齿形蒙皮中齿形区域的个数；n1为最佳拟合平面的法向量，n2为理论平面的法向量；
43、齿形壁板表面绝对平均变形值函数表达式为：
44、
45、式中， k为复合材料齿形蒙皮有限元模型的单元节点数目；为发生装配变形后的复合材料齿形蒙皮中第i"个单元节点的坐标值；为无变形的复合材料齿形蒙皮中第i"个单元节点的坐标值；
46、建立夹紧布局优化的约束条件，其表达式为：
47、
48、
49、
50、
51、式中， pi表示第i个夹紧点的位置坐标、 pj表示第j个夹紧点的位置坐标；ω表示夹紧点布局的可行域；l表示干涉距离；n表示夹紧点的数量；m表示工装提供的最大夹紧点数量； sdvi(x)表示复合材料齿形蒙皮内部单元失效判定准则；
52、根据所述设计变量、优化目标函数、约束条件解析式，建立复合材料齿形壁板夹紧布局优化数学模型，其表达式为:
53、
54、
55、
56、本发明的进一步技术方案是：所述多目标灰狼优化算法包括以下操作：
57、在原有多目标灰狼优化算法基础上引入修补算法，当迭代过程中出现不可行解时，通过修补将不可行解转化为可行解，保证夹紧力布局的可行性；
58、在设定区域布置夹紧力，所述修补算法通过遍历夹紧力位置并进行检查，当迭代过程中出现干涉的解，即夹紧力位置不满足约束条件时，对干涉的解进行修补，使夹紧力位置随机分配至设定区域，使其转化为可行解，避免无效迭代。
59、本发明的进一步技术方案是：所述采用多目标灰狼优化算法，得出考虑固化变形的复合材料齿形壁板夹紧力分布的最优布局的方法如下：
60、编写所述多目标灰狼优化算法，设置灰狼种群大小、最大迭代次数、存档大小、维度网格数、领导者选择压力参数、存档成员删除压力参数、夹紧力取值区域范围、最大夹紧点数量；
61、在夹紧点可行域范围内，采用拉丁超立方采样方法lhs生成初代种群，初始化系数向量；
62、基于生成的父代种群的布局，在所述考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型中更新夹紧力的位置，通过仿真分析获得父代种群中不同夹紧布局下对应的齿形壁板表面绝对平均变形和齿形区域翘曲角度，找到非支配帕累托最优解并进行存档；
63、判断存档中的种群是否超过存档大小，若超过则需要根据自适应网格规则进行调整；
64、从种群中选择alpha灰狼，beta灰狼、delta灰狼的位置，并以三种灰狼的位置为基础，确定omega灰狼的位置，更新系数向量；
65、重复上述步骤，直到运行到最大迭代次数，寻优完成，得到帕累托前沿集；
66、根据得到的帕累托前沿集及工程实际需要选择最合适的帕累托最优解。
67、有益效果
68、本发明的有益效果在于：本发明基于复合材料齿形蒙皮的固化变形仿真计算结果，建立考虑固化变形的齿形壁板装配夹紧布局有限元模型；随后建立基于多目标灰狼优化算法的齿形壁板夹紧布局优化方法，对整个优化流程进行描述，结合考虑固化变形的齿形壁板夹紧布局有限元模型和多目标灰狼优化算法展开优化分析；最后，根据工程实际需要选择最合适的帕累托最优解。
69、不同于传统的经验试错法，本发明的方法利用有限元分析和数值优化等技术，通过理论计算来寻找更优的夹紧力布局，以避免反复实验试制产生的成本浪费，实现较小的计算成本；通过与常规布局进行对比，本方法得到的夹紧力布局可以得到更小的壁板表面绝对平均变形值与更小的齿形区域角度翘曲角度值，这表明壁板变形得到了有效控制，提高了复合材料齿形壁板装配过程的效果与质量。
1.一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述获取复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布的方法为：基于复合材料顺序耦合建模方法，首先建立复合材料齿型蒙皮温度-固化度仿真模型，获取固化过程中节点的固化度与温度；然后建立复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型；之后将固化度与温度作为边界条件，导入复合材料齿型蒙皮固化变形仿真模型，计算复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布。
3.根据权利要求2所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述获取复合材料齿形蒙皮的固化变形量分布的建模方法为：
4.根据权利要求3所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述建立考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型的方法为：
5.根据权利要求4所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述考虑固化变形的复合材料齿形壁板装配仿真模型的边界条件和载荷为：
6.根据权利要求4所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述建立复合材料齿形壁板夹紧布局优化数学模型的方法为：
7.根据权利要求6所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述多目标灰狼优化算法包括以下操作：
8.根据权利要求7所述一种考虑固化变形的齿形壁板夹紧力布局优化方法，其特征在于：所述采用多目标灰狼优化算法，得出考虑固化变形的复合材料齿形壁板夹紧力分布的最优布局的方法如下：
