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基于不确定性理论的产品精度信息模型的分析.pdf

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are described by a based on ordinal virtual assembly and the assemblyprecision modeliS established.④、Explained the technology of tolerance design;Aimed at Antenna Structurebased on modularized assembly,by referring to the random numbers based onUncertainty Theory that accord with tolerance distribution rule and using MonteCarlo simulation,a simulated analysis and mathematical statistics of theAntennaStructured Precision Ination Model’terminal error have been done.Finally,a precision design soft also has been integrated.KeywordsPrecision Ination Model of Product,Uncertainty Theory,Computer Aided Tolerancing,Precision Design,Radar Antenna Structure插 图 清 单图21单个DAU外形7图22 DAU结构示意图7图23接收器的一端和连接片示意图8图24 2X2的DAU装配示意图8图25板单元与实体单元的组合10图26天线框架节点号图11图27铝板及其安装导轨导轨2装配变形示意图12图28铝板重量等效简化计算示意图12图29固定装置示意图14图210第三层加载装置图14图211第四层加载装置图15图212第五~八层加载装置15图213固定装置和加载装置总装配图·一15图214应力测试测点布置示意图16图215传感器安装架16图216位移测试测点布置示意图17图217应力试验现场照片18图218位移试验现场照片18图219部分应力数据对比线图2l图220部分位移数据对比线图23图3一l GPs系统结构模型28图32 GPS不确定性的关系28图33正态分布30图41精度CAT框架结构34图42名义平面和变动平面38图43参考坐标系和名义要素39图44公差域变动图39图45装配工艺示意图141图46装配工艺示意图241图47面面配合42图5一l贝塔分布的形状48图52仿真分析结果49图53仿真分析结果52图54集成软件总界面图53图55公差分析界面图53图56公差综合界面图54图57公差分析实例1.”55图58公差分析实例255图5~9公差综合实例56表 格 清 单表21应力试验部分典型测点第一主应力19表22位移试验部分典型测点各个工况下位移值19表51输出单个DAU的设计公差值52独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得盒月B兰些友堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书名彳彰 一名 拨哗签字日期.口辟乒月;日 签字日期c,1年叶月哆日学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址电话邮编致 谢个人的能力是很小的,个人的学识是有限的。光阴似箭,转眼间硕士学习生涯即将结束,首先由衷地感谢我的导师赵韩教授在生活、学习、工作期间,导师及师母给予了我无微不至的关一tb。导师以渊博的数理知识、深邃的洞察力把我带进浩瀚的科研世界,给我以良好的学术环境和宽松的学习气氛,使我受到严格的工程科研实践的锻炼。除了学习科研实践,赵老师在平时的生活中经常关心我,是我在合肥长达七年的学习生活中遇到的最景仰的良师,最真挚的益友。在论文完成之际,衷心感谢导师对我的培养、关怀和教育,并向导师致以崇高的敬意,祝愿赵老师家庭幸福,身体健康,老师的教诲是我一生中最宝贵的财富。在求学阶段,一直得到了机械与汽车工程学院的黄康副教授、王勇副教授、田杰副教授、曹文钢副教授、曾亿山副教授、吴炎明副教授、董玉德教授和宋晖老师的热情帮助和支持,在此表示诚挚的谢意,尤其是黄康老师和王勇老师在本人参与的多个项目中给予了我大力支持和帮助,使我获得了很大的提高,并能够将课题顺利地完成,黄老师和王老师在诸多方面的指导我将永远铭刻在心。此外,曹文铜老师和曾亿山老师在求学期间给我提供了很多实践机会,让我在多个方面的能力得到了发展,我想在此向他们的关心表示衷心的感谢,感谢他们在我成长过程中的帮助。在研究生学习期间,得到了师兄、师姐的大力帮助和支持,感谢朱凌云博士、李延峰博士、徐林森博士、冯保林博士,他们对我的指导和关怀,毕生难忘并向已经毕业的钱德锰师兄、汪军师兄、欧贺国师兄和曾文萱师姐表示深深的谢意,祝愿他们工作顺利,身体健康。感谢多年的同窗好友余伟硕士、袁敏硕士、李露博士、张栋博士、刘达新博士,初长宝博士、刘伟博士正是因为他们的陪伴和帮助,我的求学生涯才变得如此有意义,我将永远铭记和他们在一起的每时每刻。谨以此文献给我最最亲爱的父亲、母亲、哥哥的支持,他们把我培育成人,给了我无私的关怀和爱,使我能够顺利的完成研究生阶段的学习。谢谢你们。最后诚挚感谢在百忙之中对我的论文进行评审并提出宝贵意见的各位专家、教授。同时感谢文中引用文献的原作者们,你们辛苦了。饮水怎能不思其源怀着无比虔诚的感恩的心,向所有帮助过、支持过我的人致以深深的谢意,祝愿你们身体健康,万事如意作者;曹亮2006年3月第一章 绪论1.1论文的研究背景和意义科学技术的发展,市场需求的快速变化和全球性的经济竞争,是制造环境正在发生根本变化的三个基本要素。当前,世界正处于由资源消耗型的工业经济向信息知识为基础的知识经济转变的重要历史时期,知识经济在很大程度上是由高知识附加值的产品来体现,产品创新是知识经济的一个重要标志。在这种情况下,组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的传统的制造系统模式已与之不相适用,全球性的、以灵活敏捷的组织形态与控制机制,快速响应市场需求变化的现代制造系统模式正在形成。这已经成为各国政府及制造业研究人士的共识【Jj。21世纪制造业竞争的焦点是新产品的竞争,创造产品的开发是赢得竞争的关键,而知识产品的竞争优势在于其所拥有的知识含量。随着市场竞争的日益激烈,知识一技术一产品的更新周期日益缩短,产品创新速度将越来越快,产品的知识含量将越来越高。工程设计是一个知识驱动的创造性过程,它包含了对知识的集成、继承、创新和管理。【2】信息技术的飞速发展使传统的制造业获得了很大的提升,在产品的分析、设计、制造和维护等各环节产生了积极的影响,并已为实践所证明。如何充分利用信息技术,改造国家的基础产业,提高综合的竞争能力,是一项刻不容缓的任务;以信息化带动工业化,是制造业未来发展的方向。在未来消费者导向的时代,如何对市场环境急剧变化做出快速反应,及时掌握用户需要,有效地生产和提供令用户满意的产品和服务,是21世纪制造业面临的挑战。pJ以KBEKnowledge-Based Engineering技术为基础的集成产品模型的研究可以大大加快我国制造业的发展。集成产品模型151是指描述或者表示产品全生命周期的状态和数据的集合如形状、结构、材料、工艺、价格、性能等。即集成产品模型包括产品生命周期内有关产品的所有信息,如产品的市场需求信息、功能信息、设计信息、制造信息、精度信息、质量信息等等。而精度信息是集成产品模型中重要的信息,近几年来,人们对精度信息模型进行大量的研究。1.1.1研究背景目前,CIMS和CAD/CAM已取得了重大的突破和引人注目的成就,但是作为机械产品设计和制造过程设计中的一项重要内容,机械产品的精度设计在国内基本上还是依赖设计人员的经验或图表,采用类比的方法进行人工或半人工设计,在各种CAD软件中仅能实现精度的标注,在国外,已有许多学者开展了大量的研究,但尚未达到完全实用的程度,如IDEAS等软件中已出现精度分析模块,但仅能作精度分析之用。因此产品精度信息设计的现状无法与目前CAD/CAM集成、CIMS发展相适应、己成为制约它们进一步发展的一大关键问题。80年代中期以来,【6】并行工程ConcurrentEngineering作为一种新的产品开发方法在工程界出现,立刻引起了强烈的反响。并行工程与CIMS的结合,为CIMS的发展提供了新的内容,在并行工程环境中CAD、CAPP、CAM的集成化,不仅仅要求在整个系统内数据的共享与交换、还要求相互评价、相互协调以实现并行设计,因此就需要各种分析与评价手段。产品精度信息模型分析技术是CAD、CAPP、CAM集成中的重要内容,又是它们相互评价和协调的手段。精度的设计结果不仅影响产品的精度,也影响到产品的加工成本,而精度设计所诊及的因素较多,如何合理分配精度是一个复杂的问题。计算机辅助公差设计是实现CAD、CAPP、CAM集成化和并行工程设计的重要部分。随着微电子、计算机、人工智能、信号处理等高新技术以及雷达新技术在雷达装备中的广泛应用,雷达装备技术取得了突破性的进展,21世纪军用雷达的特点主要体现在针对低空和超低空突防的威胁、综合电子干扰的威胁、反辐射导弹的威胁、雷达目标隐身技术威胁的综合抵抗能力大大提高。同时新技术的大量采用和飞速发展对雷达等电子设备提出了相当苛刻的任务要求如高生存能力、高可靠性、高机动性等等,因此如何在装备的设计制造过程中实现雷达电子系统的设计指标,以及在使用过程中保证各项战技指标正常、可靠地发挥是先进电子设计制造技术的首要任务。同时雷达也是典型的机电一体化产品,由天线、馈线、发射、接收、终端和基础构件等主要部分组成,各种雷达的特点主要体现在天馈系统。新型雷达研制和生产的难点也集中在天馈系统。因此如何设计制造天线是雷达系统研制过程中的关键问题17】。国内某科研单位研制的某新型雷达天线系列采用了数字阵列模块DigitalArray Unit,以下简称DAU拼装平面阵列天线的设计方案,以期在结构上获得可分解性、快速架设性、快速模块替换与重装性,在电性能上获得高可靠性和高抗干扰等技术指标。在该系列天线结构中,DAU是其组成单元,而由M层N列以下简记为MN个DAU拼装的层叠框架结构是其主要机械结构。在DAU的机械结构中,拼装后的层叠结构的载荷变形和天线本身的制造误差是影响天线反射面精度的重要因素。对于平面相控阵雷达,阵面天线是其无线电工程系统中的一个重要组成部分,其特性直接决定着雷达系统的性能,其中最为关键的是天线反射面的平面度。文献【g J指出,天线阵面平面度误差会引起天线口面场的相位误差,使天线的增益降低、旁瓣电平增高、指向精度变差,因此,它是结构设计中要控制的主要指标之一。实际的天线阵面总不能与理论平面完全一致,而有一定的误差,这里的误差主要包括制造误差以及结构变形引起的误差。进行阵面天线的结构2设计应合理规定天线的制造误差及结构变形误差,使其控制在一定范围之内。一个实际的例子是,工作在31 003 700兆赫兹的某平面阵列雷达天线,天线宽2.16m,高1.76m,为了达到.35dB副瓣电平,要求反射面均方根误差包含载荷变形误差、零部件加工误差和装配误差等不大于O.3mm。针对此,平面阵列天线的结构设计主要在于天线框架的结构设计[91。因此,如何合理的对天线结构设计,如何建立天线结构的精度信息模型就成为一道难题摆在结构设计人员的面前。1.1.2研究意义由现代制造系统的发展可以看出,在现代制造业中产品全生命周期的产品精度信息在现代制造系统中将发挥越来越重要的作用。而产品精度信息的研究必须从产品精度信息模型的建立开始,理清产品精度信息模型所包含的内容,建立适合研究对象领域的产品精度模型是关键。在建立产品精度模型的基础上来研究精度产品的精度设计的理论和方法,使得产品精度信息模型在制造系统中真正发挥作用。本文以模块化装配的天线结构为研究对象,进行产品精度信息模型建模及其精度设计理论和方法的研究与应用。进行阵列天线的结构设计需要合理规定天线的制造误差及结构变形误差,使其控制在一定范围之内。如果公差定得太小,就会造成结构笨重,成本提高。如果公差定得太大,就难于满足天线的性能要求。同时,本课题探讨了计算机辅助公差设计技术在模块化阵面天线的应用,为多箱体装配结构的误差分析开辟了新思路。使设计单位采用类比和经验图表法进行人工或半人工设计的状况有了大的改观,应用自主开发的软件可轻松快速完成公差设计工作。在提高工作效率的同时,也提高了设计的可靠性。从NTN造角度看,该课题的研究降低了产品的制造成本,避免了不必要的过紧公差值。1.2产品精度信息模型的研究现状近年来,产品精度信息模型及其建模技术的研究一直非常活跃,国外许多专家和学者对精度信息模型进行了研究,分别从不同角度进行大量的工作。在国内,开展这方面研究的有清华大学国家CIMS工程技术研究中一tl,、浙江大学CADCG国家重点实验室,华中科技大学机械科学与工程学院及上海交通大学计算机系等单位。现有CAD造型系统普通缺少精度信息处理模块,或不能较完善地处理精度信息。设计者不得不通过手工操作将公差信息加入到实体模型中去,而且这种公差信息只能算是一种静态的文本属性,没有对其给出合理的解释,因而没有工程语义。如对尺寸公差,当一要素上有尺寸公差要求时,该要素如何变化、如何生成满足此尺寸公差要求的变动要素,现有的CAD系统是无法做到的。此外还要通过手工查表的方式来进行公差确定与分析、综合,这样就阻碍了设计、生产过程的自动化。而并行工程的发展,要求制造过程的设计与产品生产必须同时进行。对于精度信息来说,设计过程中的微小变化可能会引起制造过程大量的费用损耗,这就需要改进实体造型系统使之适应设计过程的信息交换。精度信息作为一种不可缺少的信息必须加入其中,并且还需要与之相关的公差分析、综合模块。因此必须找到一个合适的精度信息模型,与造型系统结合起来。在目前的机械产品信息建模中,精度信息的缺少对产品信息的集成是不利的,不能满足计算机集成制造技术对产品信息综合处理的要求;而对于计算机辅助公差设计,精度信息模型的建模与表示尤为重要。在公差CAD体系结构可知,公差信息的建模与表示位于CAT的底层,是公差分析与综合的基础,也是CAT与CAD系统联接的唯一桥梁,在进行公差综合时,首先需要通过公差的表示实现与CAD系统的接121,从CAD系统中提取信息,之后又需要通过公差的表示将所得出的公差信息存贮在CAD系统中,并与相应的实体相对应;在进行公差分析时,首先需要从所表示的公差信息中提取所需要的各种公差信息,按公差信息建模给出的变动方式,生成零件的实例,实现公差分析。1.3课题的来源和论文主要研究内容及结构本研究课题来源于与国内菜科研单位的合作项目“天线结构的可行性试验及论证”040205D2,论文研究的主要内容及结构安排如下第1章;初步分析总结了现代制造业面临的变革和挑战,指出集成产品全生命周期信息模型是先进制造技术的核心,而在集成产品信息模型中,产品精度模型的研究具有重要的意义。综述了产品精度模型的研究和应用现状,介绍了本文研究的工程背景及研究内容。第2章以天线雷达结构产品精度信息模型为例,对产品精度信息模型进行有限元CAE分析,同时并行的对产品精度信息模型进行变形测试试验应力应变变形测试和位移测试。通过试验数据和有限元数据的对比,来对产品精度信息模型进行可行性论证。第3章对新一代GPS标准的结构体系进行了说明,阐述了产品精度信息模型中的尺寸公差和形位公差的影响、类型和两者之间的关系。介绍了新一代GPS体系中的不确定性理论体系,以及公差的不确定性随机分布规律。最后介绍了基于产品精度信息模型的计算机辅助公差设计。第4章以天线雷达结构精度信息模型为例,对产品精度信息模型的建模技术进行论述,通过多种数学模型的比较,并且针对天线结构精度产品,利用基于自由度变动的平面要素数学表示方法,综合考虑了尺寸公差和形位公差,建立了天线结构的零件精度信息模型。同时基于顺序法虚拟装配的方法,描述了各个零件之间的位姿关系,建立了天线结构的装配产品精度信息模型。4
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