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  • 水陸兩棲飛機船體部件的裝配方案優化思考

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:43256 論文編號:sb2022050514484546878 日期:2022-05-27 來源:碩博論文網

    本文是一篇工程碩士論文,本文以船體部件原型機為對象,深入分析了船體部件的原材料選用具有耐蝕性特點,機體結構采用了貼合面密封、填角密封、縫隙密封以及所有緊固件采用濕裝配和封包密封;結構空間為“V”型雙曲面,采用自動化裝配難度大、成本高。
    第1章 緒論
    1.1 引言
    水上飛機[1]是指能在水面及陸地上起降的固定翼飛機,也叫水陸兩棲飛機。它具有航程遠、載重大、起降環境適應性好等諸多優點[2],是應急救援體系中不可缺少的核心裝備,主要運用在海上巡視、救援和森林救火等方面。X 大型水陸兩棲飛機(以下簡稱 X 兩棲飛機)的機體結構在大型民用飛機中最為復雜,機頭部段以中部舭線為界,上部為飛機機身,下部為船體[3]。船體部件截面為 V 型雙曲面,水密性能要求高。
    國外有俄羅斯[4]、日本[5, 6]、加拿大[7]等少數國家成功研制了大型水陸兩棲飛機,而我國研制的 X 兩棲飛機于 2017 年成功首飛[8],如圖 1.1 為世界各國的水陸兩棲飛機。我國島嶼眾多、領海廣闊,近年來森林火災又頻發,對水陸兩棲飛機有較大需求,可以預見未來一段時間是我國水陸兩棲飛機高速發展的階段。

    工程碩士論文參考
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    1.2 研究背景及意義
    1.2.1 研究背景
    大型飛機的零件和部件數量眾多、加工裝配精度高,裝配周期較長,一般裝配任務量占整體研發任務量的一半左右[10],所以飛機的裝配水平基本決定了的飛機整機的制造水平,包括整體制造質量和成本控制水平。
    X 兩棲飛機機身結構具有獨特的外形,飛行速度比救撈船快 10 倍[11]。機頭下部船體部件為“V”型剖面的復雜結構,在大型民用飛機中最為復雜[12],結構示意圖如圖 1.3 所示。其機隊數量與大型民用飛機不同[13],量產時的工具、工裝和型架的成本分攤到單機價格上非常昂貴,因此不能采用脈動裝配線等先進的自動化裝配制造方法。
    X 兩棲飛機船體部件原型機的裝配方案為三段式倒立裝配,裝配單元多,裝配開敞性好,裝配效率相對較高,但也存在裝配型架、平臺工裝數量多的問題,使得船體部件裝配成本較高。船體部件裝配大量采用零件劃線定位鉆孔,使得裝配周期較長。另外,船體部件倒立裝配后,需要將其翻轉 180°后再與其它部段進行對合裝配,其翻轉作業存在較高的安全風險。X 兩棲飛機新構型為量產型號,船體部件新構型與原型機結構基本一樣,主要沿航向增加了長度尺寸,因此亟需開展船體部件裝配方案優化研究,以降低成本、縮短周期、減少安全風險,為 X 兩棲飛機新構型量產奠定堅實基礎。
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    第2章 X 兩棲飛機船體部件原型機特點及其裝配方案剖析
    2.2 X 兩棲飛機船體部件特點綜合分析
    2.2.1 船體部件總體分析
    X 兩棲飛機船體部件整體尺寸為長 8700 mm、寬 3360 mm、高 2300 mm,重約 950 Kg,結構示意圖如圖 2.1 所示。該船體部件的材料選擇、結構設計、水密要求以及排水維護特點均與普通民用飛機有很大不同。
    (1)材料選擇特點。船體部件的機身表面、前起落架艙的使用環境為海上,內部結構的使用環境較為惡劣,因此,蒙皮、組合框、地板蒙皮都選用具有耐蝕性的鋁合金包鋁材料,即 2024-T3、7075-T76 等包鋁材料;機體框梁結構選用 7050-T7451 板材和 7050-T76511 型材;連接結構選用抗腐蝕性強的鋼材,例如 15-5PH、AISI4130 的棒材等。
    (2)接合面和縫隙密封特點。機體結構所有接合面、縫隙和孔洞都進行了密封,包括工藝分離面以及蒙皮接縫處。
    (3)排水與可維護性特點。船體部件結構內部設置有排除積水的路徑,可使積水排出機體外。另外,船體結構具有較好的通過性,方便人員檢修。
    2.2.2 船體部件水密性分析
    船體部件的三個功能區的水密結構設計及水密措施均有所不同,三個區域均由蒙皮、框、長桁等零件組成,采用了相似的密封方式。
    在蒙皮對接區域的前后蒙皮采用對接的方式連接,蒙皮與隔框之間采用對接板隔開。蒙皮與對接板之間、隔板與隔框之間均采用貼合面密封,其它不能進行貼合面密封的邊緣區域采用填角密封;蒙皮與蒙皮之間采用縫隙密封;所有緊固件采用緊固件濕裝配和封包。
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    2.3 X 兩棲船體部件原型機裝配方案剖析
    X 兩棲飛機的船體部件分為前、中、后 3 個功能區,其中前、后部是水密艙,中部是前起落架艙,并由 10 框和 14 框隔開,該框為整體機加框,功能分區如圖2.7 所示。由于船體部件呈“V”型雙曲面結構,底部空間非常狹窄,為了提升裝配效率,保證裝配質量,采用倒立裝配方式,然后再進行翻轉 180°后與其他部件對合。原型機船體裝配以工裝型架定位為主,部分采用 C/H 孔定位(零件相互配合定位的孔)和產品自定位,裝配操作空間較狹窄以及密封要求嚴格;船體部件原型機裝配大量采用零件劃線定位鉆初孔,少量樣板、鉆模輔助定位鉆初孔,然后使用型架定位器定位主要框梁,再將其余零件定位至主要框梁上通過穿心夾固定,最后制出終孔。

    工程碩士論文參考
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    2.3.1 船體部件的裝配層次劃分
    結合船體部件結構特點,為最大化的擴展裝配工作面和開敞性,將船體部件功能分區面作為工藝分離面,即由 10 框和 14 框將船體部件劃分成前段、中段和后段等三段件,如圖 2.8 所示為船體部件裝配層次劃分。三個段件均在型架上進行倒立裝配,然后總裝對合后翻轉 180°再與其他部段裝配,避免了“V”型剖面船體部件內部空間狹小而導致的裝配困難問題[63]。船體部件前、中和后三段分別由若干組件、零件裝配而成,劃分的裝配單元較多,一共包含 13 個裝配單元,如圖 2.9所示為船體部件的裝配順序圖(虛線框為虛擬裝配單元)。
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    第 3 章  基于多目標的 X 兩棲飛機船體部件裝配單元優化 ............................. 21
    3.1  引言 ................................ 21
    3.2  多目標優化概述 ........................ 21 
    第 4 章  X 兩棲飛機船體部件新構型的裝配方案實施 ..................... 40
    4.1  引言 .................................. 40
    4.2  船體部件新構型的裝配協調方案研究 ...................... 40
    第 5 章  總結與展望 ............................... 66
    5.1  論文總結 .................................... 66
    5.2  研究展望 ....................................... 67
    第4章 X 兩棲飛機船體部件新構型的裝配方案實施
    4.1 引言
    完成船體部件新構型裝配單元劃分后,需進一步開展裝配方案的實施,包括裝配協調方案研究以及各裝配單元的具體裝配方法研究,以驗證多目標非劣解集的合理性以及裝配方案優化成效。船體部件新構型在通過減少裝配單元(減少組件裝配型架)降低成本以及采用正裝方式避免翻轉操作風險后,會大幅延長船體部件的裝配周期,而又要滿足裝配周期小于 41.7 個工作日,故采用 6σ 管理 DMAIC 流程,在不顯著增加成本的前提下,研究縮短船體部件的裝配周期。
    船體部件采用 MBD 全三維數字化設計,有使用“全數字量”協調的基礎,但是受制于國內的數字化集成制造技術普及程度較低和項目經費限制,無法像Boeing 研制 B777 那樣使用“全數字量”協調。而采用“數字量—模擬量”相結合的協調方式是最優選擇[67]。采用這種方式具有“數字量”協調的優勢,可通過 MBD模型采用數控加工零件和工裝,以及采用數控測量機和激光跟蹤儀驗證加工精度,但也不能完全棄用“模擬量”協調,仍然需要模線、樣板和樣件。因此可以大量減少樣板、零件工藝裝備和零件樣件,而且還可以減少標準工藝裝備的使用,并且可以縮短協調的路線。
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    第5章 總結與展望
    5.1 論文總結
    本文以 X 兩棲飛機船體部件為主要研究對象,為降低船體部件裝配成本、縮短裝配周期以及消除翻轉 180°作業風險,采用現場調研、調查問卷、文獻研究、計算分析等方法優化了船體部件新構型的裝配方案,并進行了驗證,主要研究內容及成果如下:
    (1)船體部件原型機的特點及其裝配方案剖析
    以船體部件原型機為對象,深入分析了船體部件的原材料選用具有耐蝕性特點,機體結構采用了貼合面密封、填角密封、縫隙密封以及所有緊固件采用濕裝配和封包密封;結構空間為“V”型雙曲面,采用自動化裝配難度大、成本高。在原型機的研制過程中,把船體部件分成了前段、中段和后段分別裝配,然后在總裝型架上進行倒立對合裝配,并且翻轉 180°后,再與其他部段進行對合裝配;劃分的裝配單元較多,雖然增加了段件、組件的工作面數量以及改進了操作的開敞性,使得船體部件的裝配效率較高,但是存在裝配成本高、裝配周期較長以及翻轉 180°作業風險等問題。
    (2)基于多目標的船體部件新構型裝配單元優化研究
    首先,根據船體部件原型機裝配方案中存在的問題,提出多目標優化的基本原則及優化目標;結合結構特點、飛機年產需求以及企業相關裝配生產的歷史數據,構建了裝配單元數量多目標優化函數和約束條件,采用 MOPSO 算法求解了多目標函數的 Pareto 前沿及非劣解集,并根據船體部件新構型正裝的方式研究劃分了裝配單元。然后,根據裝配單元劃分開展船體部件新構型的裝配方案實施,包括裝配協調方案研究以及各裝配單元的裝配方法研究。最后,分析了船體部件新構型裝配方案優化的成效,新構型裝配方案減少各類工裝 31 套,減少的裝配成本 454.5萬元,降低幅度達 40.3%,滿足大于 35%的成本降幅要求;廠房占地面積減少約544  ㎡,成效非常顯著;優化后的裝配方案采用正裝方式,避免了原型機翻轉 180°作業帶來的操作安全風險。
    參考文獻(略)


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