机身装配过程中复合材料蒙皮夹紧应力的预测与优化框架

《Aerospace Science and Technology》：A prediction and optimization framework for clamping stress of composite skin during fuselage assembly

　　

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  提出了一种融合距离场与工艺参数的三通道RGB特征编码方法，以实现多源工艺参数在图像空间内的结构化融合。
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  构建了一种融合三元组和 multiscale 特征融合模块的 U-Net 架构，以实现装配应力场的高精度重构。
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  建立了一种基于 NSGA-II 算法的定位布局多目标优化框架，以在不同工艺参数条件下自动搜索最优定位方案。
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  揭示了最优最大应力随回弹量与板厚的非线性演化规律。

引言

随着现代航空器对轻量化、高性能及低成本方案的日益迫切需求，复合材料凭借其高比强度、高比刚度、低密度以及优异的构型柔性，逐渐成为航空器设计与制造中的关键材料。随着应用经验的不断积累，复合材料的应用范围已从早期的舵面、整流罩等次承力结构，拓展至整体机身蒙皮、机翼板等主承力结构 [1]。然而，复合材料在制造过程中易发生翘曲、回弹等变形 [2]，这一现象在大面积薄壁构件的整体成形过程中尤为突出，对后续装配工艺构成了严峻挑战。航空装配工艺涵盖定位夹紧、成形校正与压缩、间隙测量、间隙补偿、临时固定、钻孔及连接等多个关键工序，每一步骤均可能引入装配应力，过大的应力或应力集中会显著增加结构损伤的风险 [3]。在航空装配的初始定位阶段，由于复合材料面板本身刚度较低，制造偏差与重力的耦合效应极易引发装配变形并产生残余应力 [4]。此外，若构件制造偏差导致装配间隙需要强制装配，则将进一步诱发较大的装配应力，最终影响结构的力学性能与疲劳寿命 [5]。因此，推进整个航空装配过程中装配应力的均化 [6,7] 与均衡 [8] 研究，对于保障结构完整性与安全可靠性具有重要意义。

由于复合材料面板的薄壁结构特性，定位支撑点的数量及其空间布局对装配过程中的应力分布与结构变形具有显著影响。因此，世界各国学者基于优化算法 [[9], [10], [11]] 和数值仿真方法 [12] 对定位布局优化开展了广泛研究。然而，随着构件结构日益复杂，高保真有限元仿真带来的高昂计算成本问题愈发突出。因此，基于统计学习与数据驱动的人工智能方法正逐渐成为研究热点 [[13], [14], [15]]。Zhang 等 [16] 系统地优化了夹紧力的大小与布局，以控制装配间隙与变形。然而，在回弹量与蒙皮厚度等多工艺参数耦合作用下对应力的控制仍存在局限性。Wang 等 [17] 将影响系数法与 NSGA-II 多目标优化算法相结合，以板面控制点偏差与装配力水平作为优化目标，优化各定位器的驱动量，从而实现面板形状偏差与装配力的协同控制。但他们并未深入探讨定位结构的数量与位置对装配应力的影响。Wang 等 [18] 将有限元方法与萤火虫算法相结合，优化飞机蒙皮等薄壁构件定位器的空间布局，目标是在重力作用下最小化整体变形能。然而，其研究主要聚焦于变形控制，未建立定位参数与结构应力分布之间的显式映射关系。Bi 等 [19] 结合有限元分析构建了定位支撑点布局与面板应变能之间的映射关系，并以最小化装配应变能为目标进行优化分析，从而实现整体应力水平与分布均匀性的控制。但他们未研究不同回弹量与蒙皮厚度对应力场均匀性的影响。

尽管现有研究在定位布局优化方面已取得显著进展，但其优化目标主要聚焦于宏观变形控制。对于复合材料面板而言，装配过程中产生的本征应力场分布，尤其是残余应力，是影响结构疲劳寿命、损伤容限与长期服役可靠性的关键内部因素。因此，将研究重点从"变形控制"深化至"结构应力控制"，是实现高精度、高可靠性装配的必然要求与关键挑战。准确感知与重构应力场是实现有效应力控制的前提条件。应力场重构研究跨越微观至宏观的多个尺度，学者们对结构的微观力学行为进行了深入探讨 [[20], [21], [22], [23]]。然而，解决装配问题需要更加关注宏观尺度的应力场重构技术。尽管已有相关探索，例如 Sun 等 [24] 将条件生成对抗网络（cGAN）与仿真方法相结合，开发了一种基于图像的深度学习框架，以实现船体结构离散测量点与应力分布的高效重构。Zhang 等 [25,26] 基于主成分分析（PCA）与条件卷积自编码器方法，建立了离散控制点与全场变形及应力之间的高精度映射，同时采用深度强化学习（DRL）策略优化定位器布局。尽管这些研究降低了结构应力并提高了装配精度与效率，但并未充分考虑复合材料特有的工艺-结构参数（如回弹量与蒙皮厚度）以及夹紧与定位方案多种配置选项对应力重构的耦合作用。因此，当面对涉及多工况、多参数的复杂装配场景时，其映射精度与泛化能力面临挑战。

因此，在现有研究基础上，系统揭示回弹量、蒙皮厚度及定位布局等多工艺参数对机身装配过程中复合材料蒙皮夹持应力的耦合机制，并开发一种可适应多工艺参数的高精度全场应力映射与优化控制方法，已成为推进航空装配技术的关键。本文构建了一种数据驱动的端到端应力控制框架，以实现复合材料机身蒙皮的多工艺参数应力重构与定位布局多目标优化。该框架主要由应力重构模型与定位布局优化模型两部分构成。应力重构模型采用基于深度学习的图像到图像回归方法，将复合材料机身面板的工艺参数（回弹量、厚度）与定位布局参数（定位孔位置与数量）编码为三通道RGB特征图像，随后利用注意力增强的U-Net网络实现应力场的精确重构。定位布局优化模型采用NSGA-II多目标优化算法，以最小化最大应力与最小化定位孔数量为优化目标，在几何约束条件下自动搜索最优解，从而为飞机复合材料面板的工装设计与装配工艺提供高精度、前瞻性的优化设计与决策依据。

章节摘要

问题描述

作为典型的高性能复杂产品，航空装配涵盖定位、夹紧及连接等一系列工序，每一工序均会引入装配应力。这些应力在最终产品中累积并相互作用，形成难以预测的复杂分布，直接影响航空器的服役性能、安全性与可靠性。这一问题在薄壁复合材料构件中尤为突出。

应力控制框架

为实现机身装配过程中复合材料蒙皮装配应力的精确预测与有效控制，本文构建了一种集数据驱动建模、应力场重构与智能优化算法于一体的应力控制框架。该框架旨在系统解决从多源工艺参数感知到应力场精确重构，再到最优解确定的完整分析过程。

注意力机制的影响

为评估注意力机制在应力场预测任务中的有效性，本文对U-Net及其融合四种注意力机制的改进版本进行了对比。这四种注意力机制分别为卷积块注意力模块（CBAM）、高效通道注意力（ECA）、挤压-激励（SE）及三元组（Triplet）。相关评价指标见图8与表3。结果表明，所有注意力机制均显著提升了预测精度。

结论

本文以T700碳纤维增强复合材料机身曲面面板为研究对象，构建了一种机身装配夹持应力的智能控制框架。该框架围绕制造回弹量、蒙皮厚度及定位孔布局等工艺参数，融合三通道特征编码、注意力增强U-Net与NSGA-II算法，实现了夹持应力场的精确重构与多目标优化。

CRediT作者贡献声明

陈永顺：论文撰写—审阅与编辑，论文撰写—原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。万静明：资源支持，经费获取。康莺倩：资源支持，经费获取。王海金：指导，资源支持，项目管理，经费获取。张永亮：资源支持，经费获取。毕云峰：论文撰写—审阅与编辑，指导，资源支持，项目管理，

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