基于制造特性的螺旋慢波结构装配性能仿真与优化

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1、基于制造特性的螺旋慢波结构装配性能仿真与优化吕亮霞2016年1月基于制造特性的螺旋慢波结构装配性能仿真与优化作者姓名吕亮霞学院名称机械与车辆学院指导教师金鑫副教授答辩委员会主席张之敬教授申请学位工学硕士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月SimulationandOptimizationoftheAssemblyPerformancefortheHelicalSlowWaveStructureBasedonManufacturingCharacteristicsCandidate

2、Name：LiangxiaLVSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:AssociateProf.XinJinChair,ThesisCommittee：Prof.ZhijingZHANGDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：AerospaceScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016

3、北京理工大学硕士学位论文摘要螺旋慢波结构作为行波管系统中的关键部件之一，在我国民用、国防等诸多领域起着至关重要的作用。在螺旋慢波结构的装配过程中，常常会出现所有的零件加工精度都满足设计要求，但装配后系统精度差、稳定性不高的现象。究其原因主要是零件的制造特性与系统精度之间的关系尚无有效的定性或定量分析方法，由于零部件装配后相互之间存在应力关系，这极大地限制了系统的精度及性能。实测法虽然可以准确给出慢波结构的装配特性，但成本高，时间长，工作量大。基于制造特性的有限元仿真可以快速的对装配结构体性能进行分析评估，并且精度较高，

4、在装配性能研究中得到了大量的应用。本文以螺旋慢波结构为研究对象，从零件表面形状误差测量、建模入手，通过有限元分析方法，研究表面形状误差、尺寸误差等制造特性对螺旋慢波结构应力状态的影响，为行波管装配体精度控制、性能预测研究等方面奠定了理论基础，为精密机械系统设计、加工和装配工艺优化提供方法与依据，为解决各领域精密机械系统的装配精度与系统性能提供理论支持和技术保障。本文首先阐述了基于制造特性的螺旋慢波结构装配性能仿真的研究背景，并对基于制造特性的装配性能研究的国内外现状、研究目的、研究意义以及应用前景进行介绍，针对目前行波

5、管螺旋慢波结构在系统精度及稳定性研究中存在的问题，开展了如下研究：（1）关键零部件的检测。利用二维CMOS检测平台对零部件形状误差进行检测并完成零件表面形状误差的数据采集，利用MATLAB进行数据处理。（2）基于逆向工程技术建立带有形状误差的仿真模型方法的理论研究。通过对带有制造特性的三维实体建模方法的研究，为真实模拟实际加工部件以及后续研究装配体性能奠定理论基础。（3）带有制造特性的三维实体建模。结合螺旋慢波结构各组件零件自身尺寸及材料特性，基于MATLAB数据处理以及Pro/E逆向工程的有限元仿真建模方法，建立能够

6、很好地描述零件表面形状误差的有限元三维实体模型。（4）螺旋慢波结构的非线性装配性能研究。通过对配合面接触应力影响的理论分析，将螺旋线弹簧简化为理想模型，并得到径向压缩量与剪切力的理论关系，利用ABAQUS软件分别对不同长度的螺旋线弹簧组件、带有形状误差的螺旋线弹簧组件以及尺寸误差与形状误差耦合的螺旋线弹簧组件进行仿真计算，在解决仿真过程中I北京理工大学硕士学位论文非线性接触、非线性滑移、薄壁件大变形这三大有限元仿真难题的同时，保证有限仿真过程更为真实的模拟实际工况，为后续进行装配性能分析及装配工艺优化奠定基础。（5）螺

7、旋慢波结构的热力学装配性能研究。一方面，温度场的变化会引起螺旋慢波结构机械结构部分发生变形，螺旋慢波结构的装配精度存在不可预测性；另一方面，温度场的变化也会导致机械结构产生热应力，影响螺旋慢波结构的精度稳定性。在热传导基本理论与热变形理论研究的基础上，利用ANSYSWORKBENCH的热-结构耦合有限元方法分别对形状误差、尺寸误差以及不同温度场影响下的螺旋慢波结构的热应力状态和热变形情况展开研究，为后续热处理工艺奠定理论基础。关键词：螺旋慢波结构，几何误差，接触应力，有限元仿真，热力学，装配性能II北京理工大学硕士学位

8、论文AbstractAsoneofthekeycomponentsofthetravelingwavetube(TWT)system,thehelicalslowwavestructure(HSW)playsanimportantroleinthefieldofcivilandnationaldefense.Intheassemb