一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，特点是：首先以铆接质量实际监测指标──铆钉墩头高度和直径为优化目标，利用析因实验设计对显著影响铆钉墩头高度和直径的铆接过程工艺参数进行筛选，并判断相应参数初始设计范围的有效性；其次，通过梯度实验设计对敏感铆接过程工艺参数的无效初始设计范围进行修正；进而由中心复合实验设计推衍敏感铆接过程工艺参数相对铆钉墩头高度与直径的统计学模型；最终，以可行域叠加方式，实现对同时满足铆钉墩头高度与直径目标取值范围约束的各敏感铆接过程工艺参数组合可行域搜索，并基于提高铆钉与铆钉孔尺寸的可制造性与降低铆接力控制难度的角度，对铆接过程工艺参数组合可行域进行优化。

【技术实现步骤摘要】
一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法
本专利技术涉及一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，用于工艺铆接过程工艺参数优化。
技术介绍
铆钉搭接关节广泛地被应用于飞行器的结构设计中。铆接过程也就意味着铆钉受压的塑性变形过程。长期以来铆接质量分析的思维定势使得研究人员习惯于直接研究不同铆接过程工艺参数对铆接质量的影响，如铆接残余应力分布、铆接裂纹产生和生长，疲劳寿命预测等。然而，在实际铆接质量监测过程中，为所有铆接结构进行应力和裂纹检测显然是不可行的，考虑到铆接质量与源于铆钉墩头外形的铆接板夹紧约束的相关性，铆钉墩头高度和直径往往应被作为铆接质量最为直接和重要的检测指标。基于铆钉墩头高度和直径取决于多铆接过程工艺参数组合影响的事实，多铆接过程工艺参数的组合设计正成为工业界更为喜爱和关注问题。因此，如何破解“满足铆钉墩头高度和直径目标取值范围约束前提下的多铆接过程工艺参数组合设计”这一难题，正是目前铆接工艺设计中所欠缺的，同时其研究也是滞后的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，该方法解决了多铆接过程工艺参数的组合选择问题，破解了多铆接过程工艺参数对铆接质量的交叉影响。专利技术的技术方案是：（1）选择并确定铆钉墩头高度和直径为铆接质量表征最为直接和重要的指标，即优化目标，其目标取值范围可依据铆钉具体型号查阅航空手册获得；同时，依据铆钉压缩过程及其搭接结构特征，确定影响铆钉墩头高度和直径的铆接过程工艺参数。（2）利用析因实验评估铆接过程工艺参数对铆钉墩头高度和直径的影响。–两水平析因实验设计被用来筛选影响铆钉墩头高度和直径的敏感铆接过程工艺参数。其中，响应量为铆钉墩头高度和直径；独立变量为铆接过程工艺参数；实验规划完全遵循统计学两水平析因实验设计规则。实验计算结果的分析采用基于一阶多项式的多元回归技术，其表达为：式中：y是响应量，是常数项，是线性系数，(i=1,2,3,4.)是独立变量的编码水平。–该回归方程的方差回归分析F检验指标用来判断其统计学显著的置信区间，即响应量的变化直接源于独立变量变化的程度；线性系数的T检验用来判断对应独立变量对响应量影响的统计学显著性。同时，该实验设计的组间统计学指标——变量平均数观测值的T检验被用来判断显著性铆接参数的有效范围是否包含于其初始设计域。（3）利用梯度实验搜索敏感铆接过程工艺参数的有效范围。–如果铆接过程工艺参数的有效范围不在其初始设计域内，应沿相应敏感参数变化的梯度路径设计梯度实验，并提取对应铆钉墩头高度和直径目标取值范围约束间敏感铆接过程工艺参数变化范围，以此修正对应参数的初始设计域。–梯度路径起始于敏感铆接过程工艺参数初始设计域中点并延伸至其外部区域，延伸方向由析因实验多元回归分析所得回归方程的线性系数决定。（4）利用中心复合实验构建铆钉墩头高度和直径的统计学模型。–基于梯度实验得到的敏感铆接过程工艺参数的有效范围，五水平中心复合实验设计被用来分析铆钉墩头高度和直径相对敏感铆接过程工艺参数的响应。其中，响应量仍为铆钉墩头高度和直径，独立变量为析因实验分析所筛选出的敏感铆接过程工艺参数；实验规划完全遵循统计学中心复合实验设计规则。敏感铆接过程工艺参数相对钉墩头高度和直径的数学关系式采用基于二阶多项式的多元回归技术构建，函数表达如下：式中：是常数项，是线性系数，二次项系数，是交叉项系数，和分别表示独立变量的真值。（5）敏感铆接过程工艺参数参组合设计可行域识别。–对符合钉墩头高度和直径目标取值范围约束的敏感铆接过程工艺参数组合可行域进行逻辑与运算，其交集为同时符合铆钉墩头高度和直径目标取值范围约束的敏感铆接过程工艺参数组合设计可行域。其优点在于：本专利技术包含铆接质量表征指标构建、敏感铆接过程工艺参数筛选方法、敏感铆接过程工艺参数初始设计域有效性的判断与修正方法、敏感铆接过程工艺参数组合可行域的搜索与优化方法，破解了多铆接过程工艺参数对铆接质量的交叉影响，确定了满足铆钉墩头高度与直径目标取值范围约束的各敏感铆接过程工艺参数组合可行域，解决了满足铆钉墩头高度和直径目标取值范围约束前提下的多铆接过程工艺参数组合设计难题。附图说明图1铆接过程工艺参数组合设计可行域优化流程图；图2满足铆钉墩头高度质量要求的可行域ΩHi（i=1,2,3,4,5）；图3可行域ΩH3的三维包络面；图4满足铆钉墩头直径质量要求的可行域ΩD；图5同时满足铆钉墩头高度和直径目标取值范围约束的三维可行域Ω3:X4=0.0875mm；图6可行子域Ω3I，Ω3II和Ω3III；图7铆接力和铆钉孔直径公差的组合设计可行域。具体实施方式见图1-图7，其中图1为铆接过程工艺参数组合设计可行域优化流程图，主要包含了敏感铆接过程工艺参数筛选方法、敏感铆接过程工艺参数初始设计域有效性的判断与修正方法、敏感铆接过程工艺参数组合可行域的搜索与优化方法。按照流程图所示分析步骤可实现多铆接过程工艺参数组合可行域的优化，在具体实施方式中，以MS2047AD6-6型铆钉和2.286mm厚铝合金板的搭接结构组成为例，对全部优化流程和步骤进行详细说明。图2为满足铆钉墩头高度H目标取值范围约束的可行域ΩHi（i=1,2,3,4,5），分别描述了对应–0.0375mm，0.025mm，0.0875mm，0.15mm和0.2125mm铆钉孔直径公差的铆接力、铆钉杆长度和直径公差的组合可行域的三维包络实体。图3为可行域ΩH3的三维包络面，其平面的包络面是由表8定义的铆接力、铆钉杆长度和半径公差的上下边界决定的。相应的曲面包络面是在H=1.9844mm和3.175mm时由模型Ⅲ定义。图4为满足铆钉墩头直径D目标取值范围约束的可行域ΩD的三维包络实体，相应包络面是由表10定义的铆接力、铆钉杆长度和半径公差的上下边界和在D=6.35mm和8.73125mm时由模型Ⅳ定义。图5为同时满足铆钉墩头高度和直径目标取值范围约束的三维可行域Ω3，其对应于0.0875mm铆钉孔直径公差的铆接力、铆钉杆长度和直径公差的组合域。图6为可行子域Ω3I，Ω3II和Ω3III，其依据铆接过程工艺参数变化趋势，对Ω3进行分割。图7为铆接力和铆钉孔直径公差的组合设计可行域，其意味着：参照表12和该图所示数据，可行域内任意铆接力、铆钉杆长度和直径公差、铆钉孔直径公差的组合，将使铆接过程产生一个满足铆接墩头高度和直径目标取值范围约束的铆钉搭接接头。实施例1这里以MS2047AD6-6型铆钉和2.286mm厚铝合金板的搭接结构组成为例，说明多铆接过程工艺参数的组合可行域优化过程。（1）经过查询手册──《StandardAircraftHandbookforMechanicsandTechnicians》，确定MS2047AD6-6型铆钉和2.286mm厚铝合金板的铆接搭接结构对应铆钉墩头高度H和直径D的目标取值范围推荐值为：H:(1.9844mm～3.175mm)，D:(6.35mm～8.73125mm)。同时依据铆钉压缩过程及搭接结构特征，对铆接过程工艺参数的选择与初值进行如下设计：-铆接力：实际加载铆接力直接源于铆接圧铆器的规格，一般处于[13.4kN26.7kN]。-铆钉杆长度公差：《MilitarySt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，包括以下步骤：选择铆钉墩头高度和直径为铆接质量表征最为直接和重要的指标，即优化目标，并确定其目标取值范围；同时，依据铆钉压缩过程及其搭接结构特征，确定影响铆钉墩头高度和直径的铆接过程工艺参数； 设计析因实验，评估铆接过程工艺参数对铆钉墩头高度和直径的影响，筛选影响铆钉墩头高度和直径的显著性铆接过程工艺参数，并判断相应敏感铆接过程工艺参数的有效范围是否包含于其初始设计域； 设计梯度实验，对有效范围并不在其初始设计域内的敏感铆接过程工艺参数进行修正；设计中心复合实验，分别构建铆钉墩头高度与直径关于对应敏感铆接过程工艺参数的统计学模型，并以三维图形分别显示满足铆钉墩头高度与直径目标取值范围约束的敏感铆接过程工艺参数组合可行域；基于提高铆钉与铆钉孔尺寸的可制造性与降低铆接力控制难度的角度，对同时满足铆钉墩头高度与直径目标取值范围约束的各敏感铆接过程工艺参数组合可行域进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，包括以下步骤：选择铆钉墩头高度和直径为铆接质量表征最为直接和重要的指标，即优化目标，并确定其目标取值范围；同时，依据铆钉压缩过程及其搭接结构特征，确定影响铆钉墩头高度和直径的铆接过程工艺参数；设计两水平析因实验，评估铆接过程工艺参数对铆钉墩头高度和直径的影响，筛选影响铆钉墩头高度和直径的显著性铆接过程工艺参数，并判断相应敏感铆接过程工艺参数的有效范围是否包含于其初始设计域；设计梯度实验，对有效范围并不在其初始设计域内的敏感铆接过程工艺参数进行修正；设计中心复合实验，分别构建铆钉墩头高度与直径关于对应敏感铆接过程工艺参数的统计学模型，并以三维图形分别显示满足铆钉墩头高度与直径目标取值范围约束的敏感铆接过程工艺参数组合可行域；基于提高铆钉与铆钉孔尺寸的可制造性与降低铆接力控制难度的角度，对同时满足铆钉墩头高度与直径目标取值范围约束的各敏感铆接过程工艺参数组合可行域进行优化。2.根据权利要求1所述的一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，其特征在于，铆钉墩头高度和直径目标取值范围的构造：考虑到源于铆钉墩头外形的铆接板夹紧约束与铆接质量的相关性，以及实际铆接质量监测中对所有铆接结构进行应力和裂纹检测的可行性，确定铆钉墩头高度和直径为表征铆接质量最为直接和重要的指标，其目标取值范围可依据铆钉具体型号查阅航空手册获得。3.根据权利要求1所述的一种三步统计学实验设计的铆接过程工艺参数优化方法，其特征在于，敏感铆接过程工艺参数的筛选：设计两水平析因实验，其中响应量为铆钉墩头高度与直径，独立变量为铆接过程工艺参数；采用多元回归方法对相应实验计算结果进行分析，进而通过方差回归分析F检验指标检验独立变量对响...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少锋，洪军，高琳，张恩慧，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15