Development of a universal reconfigurable assembly jig for aircraft wing panels

Введение

Сборочная оснастка (стапель) занимает центральное место в производстве агрегатов летательных аппаратов, особенно при сборке кессонных частей крыла. Крыло самолета воспринимает основные аэродинамические и инерционные нагрузки, поэтому его геометрическая точность, жесткость и герметичность напрямую определяют летные характеристики и безопасность. В свою очередь, стапель является сборочным приспособлением, которое фиксирует элементы крыла в требуемом положении, обеспечивая их соосность, параллельность и заданные зазоры перед клепкой и герметизацией.

Целью данной работы является создание конструкции стапеля для сборки панелей крыла, обеспечивающей быструю и точную переналадку между левой и правой конфигурациями с минимальными затратами времени и сохранением требуемой точности взаимного расположения элементов. Под «быстрой переналадкой» понимается способность перейти с левой стороны на правую (и обратно), без использования подъемных механизмов и измерительного оборудования.

Основные задачи и методы исследования

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ существующих конструкций стапелей для панелей крыла и выявление их недостатков.
2. Разработка концепции быстрой смены опор.
3. Выбор и расчет механизма точного позиционирования опор.
4. Проектирование системы фиксации опор в рабочем положении.
5. Выбор материала для несущих элементов стапеля.
6. 3D-моделирование и выпуск конструкторской документации. Расчет конструкции на прочность в программе APM Studio

Методы исследования включают анализ технической литературы, параметрическое 3D-моделирование, конечно-элементный прочностной расчет, а также сравнительную оценку технико-экономических параметров.

Анализ и сравнение разработанной конструкции с существующей оснасткой

Для объективной оценки эффективности предложенного универсального переналаживаемого стапеля проведён сравнительный анализ типовыми видами оснастки, применяемыми в авиастроении: стационарный стапель под одно типоразмерное изделие и модульный стапель с универсальными опорами (без быстросменных ложементов). Критериями сравнения выбраны: время переналадки между левой и правой панелями крыла, требуемая производственная площадь, точность позиционирования, трудоёмкость контроля прилегания, стоимость оснастки (относительная) и необходимость внешних коммуникаций.

Время переналадки

Стационарный стапель – переналадка физически невозможна; требуется демонтаж всей оснастки и монтаж новой (от нескольких дней до недель).

Модульный стапель – перестановка универсальных опор требует повторной выставки по лазерному трекеру; время – 2–4 часа.

Предлагаемая конструкция – смена опоры ложемента на противоположную сторону колонны с использованием шариковых стопорных штифтов и газового амортизатора занимает не более 5–10 минут на одну опору (без измерительного оборудования). Благодаря унифицированному фланцу и направляющим штифтам достигается «фиксация по месту» без юстировки.

Занимаемая площадь (на одну конфигурацию)

Стационарный – для левой и правой панелей требуется два стапеля → удвоенная площадь.

Модульный – один стапель, площадь сопоставима со стационарным.

Предлагаемый – один стапель, площадь такая же, как у стационарного для одной панели. При этом отпадает необходимость в хранении второго комплекта оснастки.

Контроль прилегания панели

Стационарный – хороший доступ к зонам стыковки (стапель часто открытый).

Модульный – из-за наличия множества универсальных регулируемых опор часто затруднён визуальный и щуповой контроль прилегания.

Предлагаемый – ложементы выполнены с учётом аэродинамического контура, зоны контроля остаются открытыми. Отсутствие громоздких регулировочных узлов улучшает обзор.

Конструктивные решения

Сформулированы требования к новой конструкции: разделение несущей колонны и сменной опоры ложемента; использование стандартного крепежа (болты M30); внедрение механизмов точного позиционирования опор.

Разработанная идея перестановки опоры ложементов для левой и правой стороны колонии крепится опора (ответная часть опоры ложемента).

При переходе от комплектации панели для левой части необходимо перестановка ложементов для комплектации другой части. Для минимизации ошибки при установке опор были рассмотрены два типа устройств:

• Пневмоцилиндр двойного действия – обеспечивает усилие прижатия до 5000 Н, позволяет дистанционно управлять позиционированием от заводской пневмосети (давление 0,4–0,6 МПа). Основной недостаток: необходимость подачи сжатого воздуха.
• Газовый амортизатор (газовая пружина) – автономен, не требует внешних коммуникаций, создает усилие до 2000 Н. Менее стабилен при низких температурах (снижение усилия на 20–30%).

После позиционирования опора должна быть жестко зафиксирована для предотвращения смещений из-за вибраций при сборке панели. Для этого могут быть использованы стопорные штифты двух типов:

• Классический стопорный штифт с рукояткой и пружиной – надежный, простой, но требует ручного забивания.
• Шариковый стопорный штифт (шариковый замок) – быстродействующий, фиксация происходит автоматически при вставке опоры, отпирание нажатием кнопки.

При выборе материала были проанализированы стали: Ст3 (низкая стоимость, но недостаточная прочность при длительной эксплуатации), 09Г2С (хорошая свариваемость, но меньшая износостойкость), 16Г2АФ (оптимальное сочетание прочности, свариваемости и вязкости при низких температурах).

Таблица 1

Сравнение материалов для несущих элементов стапеля

Марка стали	Предел текучести, МПа	Свариваемость	Износостойкость	Стоимость
Ст3	195–235	хорошая	низкая	низкая
09Г2С	345	хорошая	средняя	средняя
16Г2АФ	≥345	хорошая	высокая	средняя

Выбрана низколегированная сталь 16Г2АФ (0,14–0,19% C; 1,30–1,70% Mn; 0,05–0,12% V), обеспечивающая высокую прочность, свариваемость и вязкость при низких температурах. Для фундамента – бетон класса B15 (марка M200) по ГОСТ Р 70362-2022.

Для разработки и создания документации и 3D модели была использована программа Kompas-3D. В процессе разработки были созданы  твердотельные 3D модели каждого элемента стапеля:

— фундамент;

— колона;

— опора;

— опора ложемента.

Рисунок 1.  Сборка узла из элементов

Рисунок 2. Проектирование стапеля в Компас 3D

После создания моделей в программе компас 3D и создания сборки в программу APM Studio была загружена полноценная сборка стапеля, однако входе работы, произведения расчётов возникло несколько проблем:

 Во-первых, при установке точек закрепления, построении конечно -элементных сеток, наложения областей нагрузок приложение очень сильно «тормозило» ввиду большого количества элементов.

Во-вторых, в библиотеке материалов не было тех, которые подобраны в ходе работы в Компас 3D.

Чтобы решить данные проблемы были приняты следующие решения. Первое-  был произведён расчёт площадей панелей и нагрузки, которые возникают при наложении плит на ложементы стапеля. После чего был взят один из узлов и рассчитана сила, действующая на площадь ложемента стапеля. Далее были произведены нагрузки в соответствии с расчётами. Второе  – были подобраны наиболее близкие материалы, но для материала ложемента стапеля не было найдено полноценных аналогов и был выбран материал дуб, что повлияло на деформацию при нагружении.

Рисунок 3. Создание конечно -элементной сетки

Рисунок 4. Результаты расчетов и построений

Рисунок 5. Результаты расчетов и построений

По результатам нагрузки видно, что деформирован был только ложемент стапеля, при выборе которого учитывался совершенно другой материал.

В результате выполнения работы был разработан универсальный переналаживаемый стапель для комплектации как левых, так и правых панелей крыла самолета.

 Так же подобран крепеж, элементы фиксации, кратко описан принцип работы, разработана техническая документация в программе Компас 3D (чертежи, 3D модели). В программе APM Studio создана конечная элементная сетка, визуализировано поведение разработанных элементов при приложении нагрузки.