全回转推进器装配误差分析与统计公差优化

摘要

全回转推进器结构复杂，串并联尺寸链繁多；同时，实际工况恶劣，对功能部件的装配精度要求高。实际服役过程中恶劣的工况以及交变载荷极易引起整机和结构变形，导致关键运动部件结合面失效。然而，目前的公差分析与优化技术很少考虑复杂装备在实际工况下的整机或局部结构变形问题；本文在现有研究的基础上，进行面向实际工况的装配误差分析与统计公差优化方面的研究，从而提高全回转推进器的装配质量与服役性能。
　　本文首先建立了基于雅克比旋量理论的复杂装配体并联尺寸链公差分析模型，应用于全回转推进器弧齿锥齿轮箱，提高弧齿锥齿轮副装配误差计算精度。其次建立了考虑实际工况的全回转推进器桨毂回转副装配误差分析模型，分析了实际工况如温度、转速、预紧力等对桨毂回转副桨毂结合面装配间隙的影响。接着建立了基于多样本检验策略的统计公差优化模型，应用于全回转推进器螺旋桨轴组件，提高螺旋桨轴组件统计公差优化精度，减少计算时间。然后建立了考虑实际工况的全回转推进器桨毂回转副密封性能预测模型与公差-成本-密封性能优化模型，分析预测不同工况对桨毂回转副密封性能的影响，进行关键装配参数优化，降低公差制造成本，提高密封服役性能。最后以南海某石油钻井平台实际工况下的全回转推进器桨毂回转副装配参数设计问题为实际案例进行分析优化，结果表明本文研究内容的可行性、可靠性。本文的研究内容及创新成果如下：
　　（1）带有局部并联尺寸链的复杂装配体公差建模与分析。针对传统公差分析模型难以解决复杂装配体中出现局部并联尺寸链的问题，本文通过建立并行连接副的接触点和分析点，确定其分析线的偏移方向和偏移大小，得到并联尺寸链的旋量模型；并把并联尺寸链转化为纯串联尺寸链，构建基于雅克比旋量理论的公差分析模型，计算最终的装配误差。此方法在装配误差分析过程中考虑了更多的公差信息，计算结果更符合实际情况，计算精度大幅提升。
　　（2）基于雅克比旋量模型的桨毂回转副实际工况下的装配误差建模与分析。为了获得实际工况下装配体装配间隙的真实变动范围，分析实际工况对装配间隙的影响，本文建立了基于雅克比旋量模型实际工况下的公差分析模型。首先通过建立一系列同心圆节点离散化零部件接触表面，然后通过有限元分析桨毂回转副实际工况下热、力耦合变形，提取表面节点变形坐标。接着计算考虑几何误差下装配体表面的变动范围，并离散化装配误差表面，且与之前建立的节点一一对应。最后通过节点坐标的叠加，获得实际工况下的配合表面误差变动情况。
　　（3）基于多样本检验策略的统计公差优化与分配。基于蒙特卡洛仿真的统计公差优化方法虽然能很好的模拟零部件误差的概率分布规律以及装配体的装配合格率，但是其仿真结果不够稳定。如果通过大规模的迭代计算，很容易产生误差较大的结果从而使优化失败。针对这种缺点，本文提出了一种多样本检验策略，通过多重检验保证每次迭代过程中获得足够高精度的最优个体，从而获得满足约束条件的最优解。基于该策略的统计公差优化方法能很好的解决统计公差优化与分配问题，其优化效果明显好于目前已知的统计公差优化方法，极大提高了统计公差的优化精度，减少了计算时间。
　　（4）考虑实际工况的全回转推进器桨毂回转副统计公差优化与分配。本文综合考虑了装配误差、实际工况下热、力耦合变形以及服役期间的摩擦磨损等，构建了面向实际工况的全回转推进器桨毂回转副公差-密封性能预测模型以及公差-成本-密封性能统计公差优化模型。为提高模型的精度，建立了相关实验平台，且与其他研究机构合作获得全回转推进器水动力方面的真实数据。基于上述实验与仿真数据，定量分析了不同工况对密封性能的影响，同时优化关键装配参数，最终改善了桨毂回转副密封性能，降低了公差制造成本。
　　最后，本文以南海实际工况下某石油钻井平台全回转推进器桨毂回转副装配参数优化设计问题为实例研究对象，运用本文的研究理论与方法，预测了实际海况下动力定位平台全回转推进器桨毂回转副的密封性能；并以此为优化目标，运用统计公差优化方法求解不同工况下的装配参数优化问题，其优化结果明显好于初始设计公差。总的来说，本文的研究为面向实际工况的全回转推进器的装配误差分析和优化提供了新的理论方法与指导技术。

目录

声明

1. 绪论

1.1. 课题来源、研究背景与意义

1.2. 公差建模与优化的研究现状

1.3. 本文的主要工作与结构

1.4. 本文的总体研究框架

2. 复杂装配体并联尺寸链公差建模与分析

2.1. 引言

2.2. 雅克比旋量模型

2.3. 局部并联尺寸链

2.4. 局部并联尺寸链旋量模型的建立与求解

2.5. 案例分析

2.6. 本章小结

3. 面向实际工况的桨毂回转副装配误差建模与分析

3.1. 引言

3.2. 实际工况下装配误差建模

3.3. 全回转推进器桨毂回转副实际工况变形问题描述

3.4. 实际工况下全回转推进器桨毂回转副负载分析

3.5. 实际工况下桨毂回转副桨毂结合面表面形变及装配间隙

3.6. 面向实际工况的桨毂回转副装配误差建模

3.7. 本章小结

4. 基于多重样本检验策略的统计公差优化与分配

4.1. 引言

4.2. 统计公差优化问题

4.3. 随机实验与多样本检验策略

4.4. 统计公差优化方法

4.5. 案例分析

4.6. 本章小结

5. 面向实际工况的桨毂回转副统计公差优化与分析

5.1. 引言

5.2. 面向实际工况的桨毂回转副统计公差优化方法

5.3. 服役期间桨毂结合面微动磨损和滑动磨损

5.4. 面向实际工况的桨毂回转副密封性能预测与优化

5.5. 本章小结

6. 实例研究：面向南海工况的全回转推进器桨毂回转副组件公差优化设计

6.1. 南海某石油钻井平台与全回转推进器及实际工况介绍

6.2. 实际工况下全回转推进器推力与转速的变化

6.3. 实际工况下全回转推进器螺距角的变化情况

6.4. 动力定位平台实际工况下推进器内部零部件受力情况

6.5. 考虑实际工况以及装配误差下桨毂结合面间隙

6.6. 实际工况下全回转推进器桨毂回转副密封性能预测

6.7. 全回转推进器桨毂回转副装配体公差优化设计

6.8. 本章小结

7. 总结与展望

7.1. 全文总结

7.2. 主要研究内容和结论

7.3. 主要创新点

7.4. 研究展望

致谢

参考文献

附录A 攻读博士学位期间发表学术论文

附录B 轴孔配合局部并联尺寸链旋量参数推导过程

附录C 基于多样本检验策略的最优个体搜索算法伪代码

附录D 南海某石油钻井平台作业工况下动力定位数值仿真完整数据