基于动态特征的复杂结构件加工-检测-监测一体化

飞机复杂结构件的数控加工能力是衡量一个国家航空制造水平的重要标志。新一代飞机结构件更复杂、精度要求更高、制造周期要求更短，尤其是对加工变形控制提出了更高的要求。新一代飞机结构件的最大允许变形量仅为0.05mm/m，原有方法大型结构件加工变形量仅能控制到0.2mm/m，对现有制造技术提出了严峻挑战。加工变形控制是材料、设计及制造等多个领域的研究热点。在制造领域，加工变形控制研究主要有两种思路：一种是基于变形预测的工艺优化，另一种是基于实时监测数据的加工闭环控制。 在第二种思路下，本项目针对传统基于固定装夹的工艺方法将工件在整个加工过程中完全夹紧从而无法监测工件整体变形的局限，提出了6 x定位与夹紧方法，发明了嵌入压力、位移传感器的浮动装夹装置和加工过程中自适应释放并消除工件变形的新工艺。 本项目引入位形空间理论，提出了包含加工全过程几何、工艺、监测及检测间的交互作用和演化关系的加工动态特征概念及其建模方法。基于时序法建立了特征加工全过程准确的几何形状与监测、检测信息之间的同步关联关系，进而建立了加工动态特征模型，为加工变形控制奠定了基础。 突破了基于加工动态特征的加工-检测-监测一体化系列关键技术，实现了飞机复杂结构件数控加工变形精确控制。飞机大型结构件加工变形量由0.2mm/m减小到0.05mm/m以内。 本项目共发表论文19篇，其中SCI收录16篇，分别发表在CIRP Annals、IJMT&M、ICAE等制造领域顶级期刊，论文SCI他引88次。申请国家发明专利 39项，其中授权28项。受邀在德国、英国和中国举办的重要国际学术会议上作大会主题报告5次，举办国际学术会议3次，出版Special Issue 2期。项目成果获2016年度国家技术发明二等奖，项目负责人排名第一。 项目负责人入选2017年度教育部“长江学者奖励计划”。培养博士生10名，其中4人已毕业，1人获江苏省优博，1人任教于瑞典舍夫德大学；培养硕士研究生31人，其中毕业17人。 2100433B

加工-检测-监测一体化是高价值、高精度复杂结构件高效数控加工的有效解决方案和重要发展趋势。由于零件几何与加工过程动态信息不能有效融合，造成检测、监测之间以及与加工间的反馈一直不尽如人意。以特征为载体可以有效地集成工艺知识和经验，提高工艺决策的自动化水平，但传统静态特征多是基于零件的最终加工状态定义的，只适用于简单零件。对于形状、工艺、工况复杂的零件，不仅要考虑特征几何的中间状态，还要综合考虑加工过程中的工艺、工况参数，参数的动态安全域以及超出安全域的调整策略，称为动态特征。本项目以高价值、高精度复杂结构件加工-检测-监测一体化为目标，揭示特征中间几何状态与加工过程动态信息间的映射机理，提出动态特征概念并建立动态特征模型，提出基于动态特征的加工-检测-监测一体化方法，为数控加工由基于人工经验的粗略方案求解模式向基于实时数据的优化方案求解模式转变，为数字化智能制造提供理论指导和技术参考。

以机械工程、航空航天等复杂机械结构为背景，研究基于模型确认的用于复杂结构动态仿真的精确建模理论、方法与实现。即通过对复杂机械结构的分层建模和动态试验，响应特征抽取，模型与试验的不确定性分析，模型参数统计校准，最后获得精确的有限元计算模型，并对模型精度进行确认、对仿真预报精确度和置信度进行评估。本研究在传统模型修正的基础上，计及模型和试验中的不确定性因素，以获得高精度有限元模型，并回答计算仿真的结果能在多大范围和置信度上代表真实系统为目的。重点研究模型确认新技术的整体思路和以下若干关键技术：快速运行模型的建模方法；典型子结构（含复杂连接结构）的建模及其物理参数识别；响应特征抽取和模型确认度量准则研究；不确定性分析和响应预报精度评估；并结合工程项目，以先进工程有限元软件为工具,进行软件实现。通过本项目研究，进一步提高有限元计算仿真的应用水平，在复杂机械结构动态设计中发挥更大作用。 2100433B