摘要: 薄板类零件以其质量轻、强度高等优点在航空、航天、汽车制造业有着广泛的应用。作为飞机机体主要组成结构的壁板和汽车车身等结构，更是大量地采用了薄板件。由于薄板件具有厚度薄、尺寸大、刚性弱等特点，其夹具设计往往采用“N-2-1”定位准则，即在工... 展开 薄板类零件以其质量轻、强度高等优点在航空、航天、汽车制造业有着广泛的应用。作为飞机机体主要组成结构的壁板和汽车车身等结构，更是大量地采用了薄板件。由于薄板件具有厚度薄、尺寸大、刚性弱等特点，其夹具设计往往采用“N-2-1”定位准则，即在工件主基准面上布置 N（N>3）个定位点以限制其法向变形保证制造精度。对薄板件夹具进行“N-2-1”定位布局设计时，如何确定工件主基准面上 N 个定位点的具体数目及其位置分布，便自然而然地成为制造工艺与夹具设计人员必须解决的问题。传统的基于经验和试错的方法常常会导致夹具设计效率低下、制造成本上升，更有甚者致使产品在加工和装配过程中变形超差，从而最终影响飞机等产品的制造精度和质量。随着航空、航天、汽车等制造业对产品轻量化和精密化要求的进一步提高，开展关于面向工件变形控制的薄板件夹具“N-2-1”定位布局设计方法的研究便显得尤为迫切。 近年来，CAFD技术（Computer-Aided Fixture Design）的发展与应用在很大程度上提高了夹具设计的质量和效率。然而，实施有效的面向工件变形控制的薄板件夹具“N-2-1”定位布局设计仍是亟待解决的技术难题。从反演理论的角度来看，薄板件“N-2-1”定位布局设计属于一类典型的边界条件控制反问题，所以不得不依赖数值方法进行求解。现有的基于进化算法耦合有限元分析的方法通常需要调用成百上千次的有限元分析导致计算成本过大，而基于进化算法联合静态代理模型的方法又难以保证求解精度。鉴于此，本文在薄板件夹具“N-2-1”定位布局有限元仿真建模的基础上，通过引入拉丁超立方采样（Latin Hypercube Sampling，LHS）、布谷鸟搜索算法（Cuckoo Search Algorithm，CSA）和普通Kriging（Ordinary Kriging，OK）代理模型，开展了面向工件变形控制的薄板件夹具“N-2-1”定位布局设计方法的研究，以期为薄板件夹具“N-2-1”定位布局设计提供理论指导。论文的主要工作如下： 1.提出了基于CSA的CSA-OK代理模型构建方法。将CSA引入到OK代理模型的超参数估计中，通过 CSA 优化关于相关参数向量的极大似然估计函数构建了 CSA-OK代理模型，并将CSA-OK与PS-OK进行了对比。通过Branin和Six-hump camel back两个标准函数算例对CSA-OK进行了测试，结果表明CSA-OK代理模型的稳健性好且无须调整匹配CSA的控制参数，在相同的训练数据集和测试数据集下，与PS-OK代理模型相比，CSA-OK代理模型的预测精度较高，验证了所提CSA-OK代理模型构建方法的有效性，为后续的研究工作奠定了基础。 2.针对薄板件“N0-2-1”定位布局预测建模问题，提出了基于均方误差填充采样准则的薄板件定位布局序列建模方法。在N给定且为N0的条件下，通过LHS和有限元分析生成的初始训练数据集构建了初始CSA-OK代理模型,来逼近薄板件定位布局与工件目标变形响应之间的隐式映射关系，通过应用 CSA 优化均方误差辅助函数和有限元分析获得了新的样本点，更新训练数据集并构建新的薄板件定位布局CSA-OK代理模型，循环执行上述过程，直到建立的薄板件定位布局CSA-OK代理模型满足预设精度要求，实现了薄板件定位布局预测模型的动态更新和预测精度的动态提高。 3.在给定工件容许变形的条件下，提出了基于目标搜寻填充采样准则的薄板件“N0-2-1”定位布局序列可行性设计方法。构建了初始CSA-OK代理模型对薄板件定位布局与工件容许变形响应之间的映射关系进行了逼近，依据极大条件似然估计理论，通过应用 CSA 优化目标搜寻辅助函数和有限元分析取得了新的样本点，从而对薄板件定位布局CSA-OK代理模型进行了更新，循环执行上述过程，直至反求出满足容许变形要求的薄板件可行定位布局，实现了薄板件“N0-2-1”可行定位布局序列反演设计。 4.以所关注的工件变形响应最小化为目标，提出了基于期望提高填充采样准则的薄板件“N0-2-1”定位布局序列最优化设计方法。在LHS和有限元分析生成的初始训练数据集的基础上，构建了初始CSA-OK代理模型来逼近薄板件定位布局与工件目标变形响应之间的隐式映射关系，通过应用 CSA 优化期望提高辅助函数和有限元分析获取了新的样本点，更新了薄板件定位布局CSA-OK代理模型，循环执行上述过程，直到满足终止条件搜索出薄板件最优定位布局，实现了薄板件“N0-2-1”定位布局序列最优化设计。 5.提出了三阶段薄板件“N-2-1”整体定位布局设计方法。在工件容许变形已知的条件下，将薄板件“N-2-1”整体定位布局设计分为三个阶段。在第一阶段，基于 CSA完成了工件的“3-2-1”确定性定位布局稳健设计；在第二阶段，基于薄板件“N0-2-1”可行定位布局序列反演设计方法，通过对工件主基准面上的定位点数目从4开始逐次增加，确定了满足工件容许变形的最小定位点数目Nmin；在第三阶段，基于薄板件“Nmin-2-1”定位布局序列最优化设计方法，对工件主基准面上剩余的“Nmin-3”个定位点的位置分布进行了最优化设计，实现了薄板件“Nmin-2-1”整体定位布局设计。 全文以铝合金平板件和弧形曲板件为应用实例，完成了薄板件夹具“N0-2-1”定位布局预测建模、可行性设计和最优化设计与“N-2-1”整体定位布局设计，实例分析结果验证了本文所提方法的有效性。 收起