Разработка программного комплекса для анализа и оптимизации сборочного процесса в авиастроении

DOI: 10.34759/trd-2022-124-23

Авторы

Зайцева Н. И.^*, Погарская Т. А.^**

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого, СПбПУ, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

*e-mail: Zaitseva.n.i@mail.ru
**e-mail: Pogarskaya.t@gmail.com

Аннотация

Данная статья посвящена описанию многопроцессорного программного комплекса ASRP (Assembly Simulation of Riveting Process), разрабатываемого в рамках совместного проекта Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого и концерна AIRBUS. Этот комплекс предназначен для моделирования и оптимизации процесса сборки самолётов с учетом того, что в авиастроении из-за высоких эксплуатационных нагрузок к качеству сборки деталей предъявляются достаточно жёсткие требования. В комплексе ASRP предлагается использовать методы математического моделирования и численной оптимизации, которые позволяют предсказать и оптимизировать качество соединения деталей еще до внедрения разрабатываемых технологий на сборочную линию.

В авиастроении при серийной сборке одна и та же сборочная технология используется для всех собираемых самолётов одного типа. Соответственно, при моделировании процесса сборки нужно учитывать случайные сборочные отклонения, такие как отклонения деталей от номинальной формы или погрешности их позиционирования и закрепления на сборочных стендах. В ASRP предлагается учитывать эти отклонений через моделирование случайного начального зазора между деталями.

Для оптимизации процессов сборки требуется создавать и анализировать разные варианты расположения фиксирующих элементов. Для ASRP разработан принципиально новый подход к оптимизации расстановок крепежных элементов, основанный на предварительной оценке напряженно деформированного состояния собираемой конструкции.

При моделировании сборочных процессов с учетом сборочных отклонений и оптимизации расстановок крепежных элементов возникает необходимость решения множества однотипных задач с сотнями вариантов начальных данных. По этой причине для анализа и оптимизации сборочных процессов в ASRP предложено использовать параллельные вычисления.

В данной статье описывается структура разрабатываемого программного комплекса ASRP, разработанные методы моделирования сборочного процесса и методы моделирования начального зазора, а также предложенные методы оптимизации расстановки крепежных элементов. Эффективность использования предложенных методов оптимизации и алгоритмов распараллеливания исследуется на практическом примере, связанном с анализом процесса сборки хвостового соединения самолета Airbus A350.

Ключевые слова:

процесс сборки, оптимизация, контактная задача, теория надежности

Библиографический список

1. Wei L. Prediction of the aircraft fault maintenance sorties based on least squares of linear regression // 2012 3rd International Conference on System Science, Engineering Design and Manufacturing Informatization, 2012. DOI:10.1109/ICSSEM.2012.6340849
2. Толстиков В.Г., Пыхалов А.А. Анализ напряженно-деформированного состояния деталей планера самолета из композиционных материалов на основе сканирования и решения глобально-локальной задачи // Труды МАИ. 2021. № 118. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=158214. DOI: 10.34759/trd-2021-118-05
3. Peng H., Wang B. 3D statistical tolerance analysis technique and the application in piston aeroengine assembly // 2017 8th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering (ICMAE), 2017. DOI:10.1109/ICMAE.2017.8038680
4. Shen Z., Ameta G., Shah J.J., Davidson J.K. A Comparative Study Of Tolerance Analysis Methods // Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2005, vol. 5 (3).7DOI:10.1115/1.1979509 95
5. Yang D., Qu W., Ke Y. Evaluation of residual clearance after pre-joining and pre-joining scheme optimization in aircraft panel assembly // Assembly Automation, 2016, vol. 5 (3). DOI:10.1108/AA-12-2015-129
6. Blanchot V., Daidie A. Riveted assembly modelling: Study and numerical characterisation of a riveting process // Journal of Materials Processing Technology, 2006, vol. 180, no. 1-3, pp. 201-209. DOI:10.1016/J.JMATPROTEC.2006.06.005
7. Bedair O.K., Eastaugh G.F. A numerical model for analysis of riveted splice joints accounting for secondary bending and plates/rivet interaction // Thin-Walled Structures, 2007, vol. 45, no. 3, pp. 251-258. DOI:10.1016/J.TWS.2007.03.001
8. Ni J., Tang W.C., Pan M., Qiu X., Xing Y. Assembly sequence optimization for minimizing the riveting path and overall dimensional error // Journal of Engineering Manufacture, 2018, vol. 232, no.14. DOI:10.1177/0954405417699012
9. Дюков В.A. Оптимизация технологического процесса автоклавного формования композитных авиационных конструкций сложной формы с предварительным исправлением их // Труды МАИ. 2021. № 116. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=121089. DOI: 10.34759/trd-2021-116-12
10. Чжо Й.К., Соляев Ю.О. Топологическая оптимизация подкрепленных панелей, нагруженных сосредоточенными силами // Труды МАИ. 2021. № 120. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=161420. DOI: 10.34759/trd-2021-120-07
11. Tabar R.S., Warmefjord K., Soderberg R. Rapid sequence optimization of spot welds for improved geometrical quality using a novel stepwise algorithm // Engineering Optimization, 2021, vol. 53, no. 5. DOI:10.1080/0305215X.2020.1757090
12. Liao Y.G. Optimal design of weld pattern in sheet metal assembly based on a genetic algorithm // International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2005, vol. 26, no. 5-6, pp. 512-516. DOI:10.1007/S00170-003-2003-5
13. Ertas A.H., Sonmez F.O. Optimization of spot-weld joints // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C. // Journal of Mechanical Engineering Science, 2009, vol. 223, no. 3, pp. 545-555. DOI:10.1243/09544062JMES1171
14. Rakotondrainibe L., Desai J., Orval P., Allaire G. Coupled topology optimization of structure and connections for bolted mechanical systems // European Journal of Mechanics, A/Solids, 2022, vol. 93. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2021.104499
15. Petukhova M., Lupuleac S., Shinder J., Smirnov A., Yakunin S., Bretagnol B. Numerical approach for airframe assembly simulation // Journal of Mathematics in Industry, 2014, vol. 4, no. 8. DOI:10.1186/2190-5983-4-8
16. Hu M., Lin Z., Lai X., Ni J. Simulation and analysis of assembly processes considering compliant, non-ideal parts and tooling variations // International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2001, vol. 41, no. 15, pp. 2233-2243. DOI:10.1016/S0890-6955(01)00044-X
17. Zaitseva N., Lupuleac S., Khashba V., Shinder, J. Bonhomme E. Approaches to initial gap modeling in final aircraft assembly simulation // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2020. DOI:10.1115/IMECE2020-23528
18. Stefanova M., Minevich O., Baklanov S., Petukhova M., Lupuleac S., Grigor’ev B., Kokkolaras M. Convex optimization techniques in compliant assembly simulation // Optimisation Engineering, 2020, vol. 21 (2). DOI:10.1007/s11081-020-09493-z
19. Pogarskaia T., Lupuleac S., Bonhomme E. Novel approach to optimization of fastener pattern for airframe assembly process // Procedia CIRP, 2020, vol. 93, pp. 1151-1157. DOI:10.1016/j.procir.2020.04.035
20. Pogarskaia T., Churilova M., Bonhomme E. Application of a Novel Approach Based on Geodesic Distance and Pressure Distribution to Optimization of Automated Airframe Assembly Process // Communications in Computer and Information Science, 2020, pp. 1672-1673. DOI:10.1007/978-3-030-64616-5_14
21. Lupuleac S., Zaitseva N., Stefanova M., Berezin S., Shinder J., Petukhova M., Bonhomme E. Simulation of the Wing-to-Fuselage Assembly Process // Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, 2019, vol. 141, no. 6. DOI:10.1115/1.4043365
22. Lupuleac S., Pogarskaia T., Churilova M., Kokkolaras M., Bonhomme E. Optimization of fastener pattern in airframe assembly // Assembly Automation, 2020, vol. 40, no. 5. DOI:10.1108/aa-03-2019-0040

Скачать статью