(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210696223.0 (22)申请日 2022.06.20 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 翟雨农　刘镇阳　李东升　 (74)专利代理 机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 专利代理师 王顺荣　唐爱华 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/08(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/06(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种大尺寸复合材料机身壁板装配定位夹 持布局优化方法 (57)摘要 本发明提供一种大尺寸复合材料机身壁板 装配定位夹持布局优化方法， 其步骤如下： 1： 选 择壁板上刚度好的区域作为潜在的夹持点； 2： 对 潜在夹持点所在桁位和框位使用二进制整数型 变量进行编码； 3： 建立有限元模型； 4： 使用超立 方体随机采样和有 限元分析生成训练和测试数 据集； 5： 建立壁板最大重力变形和最大Mises应 力的BPNN预测模型； 6： 综合考虑大型复材机身 壁 板在装配夹持定位过程中的变形、 应力及工装成 本， 以复材机身壁板的许用变形量为约束条件， 以应力最小和夹持点数目最少作为优化目标， 采 用NSGA‑II方法寻找夹持布局的最优解集； 实现 大型复材机身壁板高精度、 高性能、 低成本装配 夹持定位， 在飞机装配领域具有良好的应用前 景。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115221622 A 2022.10.21 CN 115221622 A 1.一种大尺寸复合材料机身壁板装配定位夹持布局优化方法， 其特征在于， 包含以下 步骤： 步骤1： 选择壁板上刚度好的区域作为潜在的夹持点； 由于复材机身壁板沿周向和航向 分别由长桁和隔框进 行加固， 所以选用长桁隔框交叉十字区域作为潜在夹持点； 壁板有m条 长桁、 n根隔框， 共获得m ·n个潜在夹持点； 步骤2： 对潜在夹持点所在桁位和框位使用二进制整数 型变量进行编码； 其桁位向量、 框位向量的具体表示形式如下： 桁位向量： x＝[x1,x2,…,xm]T， xi∈(0,1) 框位向量： y＝[y1,y2,…,ym]T， yi∈(0,1) 式中： xi表示第i桁是否存在夹持点， 取值为0或1， xi＝0表示第i桁不存在夹持点， xi＝1 表示第i桁存在夹持点； yj表示第j框是否存在夹持点， 取值为0或1， yj＝0表示第j框不存在 夹持点， yj＝1表示第j框存在夹持点； x为由所有xi组成的向量， y为由所有yj组成的向量； x×yT则表示了潜在夹持点矩阵； 当xi＝1且yj＝1， 代表i桁/j框交叉的位置存在夹持 点， 否则， 不存在； 因此， 矩阵x ×yT中非零项的位置即为夹持点所在的位置， ||x||0×||y||0 则为夹持点的数量； 以桁位向量x和框位向量y作为设计变量， 表征复材机身壁板的夹持布 局； 结合装配的实际需求， x和y应满足一下约束条件： (1)夹持点需避开门、 窗等几何特 征， 即 xi≠1， yj≠1， i∈Ω1,j∈ω1 式中： Ω1表示门、 窗所在的区域所对应i的取值范围， 当i∈Ω1时， xi的取值不能为1； ω1 表示门、 窗所在的区域所对应j的取值范围， 当j∈ω1时， yj的取值不能为1； (2)外侧夹持点离壁板边缘之间的距离， 及相邻夹持点之间的航向距离和周向距离应 大于定位器的安全距离， 若壁板航 向的安全距离为Nstr个框位， 壁板周向的安全距离为Ncir 个桁位即 xi≠1， yj≠1， i∈Ω2,j∈ω2 式中： Ω2表示离壁板边缘小于安全距离区域所对应i的取值范围， 当i∈Ω2时， xi的取 值不能为 1； ω2表示离壁板边缘小于安全距离区域所对应j的取值范围， 当j∈ω2时， yj的取 值不能为1； 当xi＝1时， xj≠1， |j‑i|≤Nstr 当yi＝1时， yj≠1， |j‑i|≤Ncir 所述的Nstr是指壁板航向的安全距离； 所述的Ncir是指壁板周向的安全距离； 式中： xi表示任意取值为1的航向夹持点变量， xj表示任意距离xi小于Nstr的航向夹持点 变量， xj的取值不能为1； yi表示任意取值为1的周向夹持点变量， yj表示任意距离yi小于Ncir 的周向夹持点变量， yj的取值不能为1； (3)为保证壁板 的稳定夹持， 避免耦合误差， 设壁板航向最少Ninf个夹持点， 最多Nsup个 夹持点； 周向最少Minf个夹持点， 最多Msup个夹持点， 即 Ninf≤||x||0≤Nsup， Minf≤||y||0≤Msup 所述的Ninf是指壁板航向最小夹持点数量；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115221622 A 2所述的Nsup是指壁板航向最大夹持点数量； 所述的Minf是指壁板周向最小夹持点数量； 所述的Msup是指壁板周向最大夹持点数量； 式中： ||x||0表示向量x中不为0的维数， 即壁板航 向夹持点的个数， Ninf≤||x||0≤Nsup 表示壁板航向夹持点的个数不小于壁板航向最小夹持点数量， 且不大于壁板航向最大夹持 点数量； ||y||0表示向量y中不为0的维数， 即壁板周向夹持点的个数， Minf≤||y||0≤Msup表 示壁板周向夹持点的个数不小于壁板周向最小夹持点数量， 且不大于壁板周向最大夹持点 数量； 步骤3： 建立有限元模型； 根据复材机身壁板的尺寸参数建立三维几何模型， 然后离散 为网格模型并赋予材 料和力学属性， 施加载荷和边界条件， 建立有限元模型； 步骤4： 使用超立方体随机采样MLHS和有限元分析 FEA生成训练和 测试数据集； 步骤5： 建立壁板最大重力变形和最大Mises应力的BPNN预测模型； BPNN的输入层有N个 神经元， 分别对应桁位向量x和框位向量y中的每个元素， 输出层有1个神经元， 即壁板的最 大重力变形/最大Mises应力； 所述的神经元是指神经网络的基本单元， 在神经元网络模型中完成数据的输入、 处理 和输出中的一个或多个功能； 步骤6： 综合考虑大型复材机身壁板在装配夹持定位过程中的变形、 应力及工装成本， 以复材机身壁板的许用变形量为约束条件， 以应力最小和夹持点数目最少作为优化 目标， 采用NSGA ‑II方法寻找夹持布局的Pareto 最优解集。 2.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料机身壁板装配定位夹持布局优化方法， 其特征在于： 所述的Pareto是指帕累托分析法， 一组目标函数最优解的集合称为Pareto最 优集； Find:x＝[x1,x2,…,xm]T， xi∈(0,1) y＝[y1,y2,…,yn]T， yi∈(0,1) Minimize:F＝[F1,F2] F1(x,y)＝| |x||0×||y||0 F2(x,y)＝max{σj(x,y)} Subject to： max{ωj(x,y)}≤ ωlim Ninf≤||x||0≤Nsup， Minf≤||y||0≤Msup 式中， x和y分别表示各夹持布局方案的桁位向量和框位向量； f1和f2分别表示最大 Mises应力和夹持点数目两个目标函数； σj为第j个有限元节点变形后的Mises应力， 其数值 来自于BPNN预测模型； ωj为第j个有限元节点变形后的位移； ωlim表示复材机身壁板在多 点夹持下的许用变形量。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115221622 A 3