大型薄壁结构由于强度高、质量轻等特点广泛应用于航空航天产品的骨架,如火箭贮箱结构。在火箭贮箱装配过程中,零件的连接通常采用搅拌摩擦焊工艺,由于薄壁结构的大柔性和几何非线性的特点,焊接装配过程中不同的装夹约束会引起结构整体刚度的变化,进而影响焊后变形;随着结构尺寸的逐渐增大,夹具约束对结构刚度影响非线性增大,装夹约束与焊接变形之间的关系更加复杂,目前大型薄壁结构焊接装配过程中装夹约束的选取缺乏理论依据,主要通过经验和焊后反复修配来保证精度。因此,建立大型薄壁结构的焊接仿真计算模型,考虑焊接装配过程中装夹约束对结构焊接变形的影响,揭示装夹约束与结构刚度和焊接变形之间的关系,实现装夹方案的优化设计,对提高航天产品的焊接效率和装配质量具有重要意义。本文同时考虑焊缝区的边缘效应和弹性区的约束作用,基于应力分区映射法建立不同装夹约束下的大型薄壁结构焊接变形精确预测模型;建立焊接变形有限元模型,研究装夹约束对结构刚度及焊接变形的影响规律;以单个零件在装夹状态下的应变能最小为优化目标,结合有限元和离散粒子群优化算法建立装夹方案优化模型,为不同尺寸、不同构型的贮箱关键零件在实际焊接装配过程中装夹约束的选取提供理论指导,实现对焊接变形的控制。主要研究内容如下:(1)考虑装夹约束的大型薄壁结构焊接变形预测模型根据柔性结构装配过程及焊接变形影响因素,定义焊接典型装夹方案,基于弹性力学理论推导薄板结构的刚度分布,分析装夹约束位置和几何尺寸参数对薄板刚度的影响;采用应力分区映射方法,对局部模型施加焊接装夹约束条件,进行热力耦合分析得到焊缝区域的应力分量;建立局部焊缝和整体结构的应力分量映射关系,对整体模型进行一次弹性计算得到最终释放夹具后的焊接变形。(2)不同装夹方案的大型薄板结构焊接变形分析基于应力分区映射法理论,建立大型薄壁结构焊接计算模型,采用ABAQUS软件进行数值仿真。计算不同装夹约束条件下大型平板释放夹具后的焊接变形变化规律。分别针对点约束和线约束装夹方案,从装夹约束位置和几何尺寸两个方面研究装夹约束对大型薄壁结构的焊接变形变化规律,同时分析搅拌摩擦焊过程中进给速度和旋转速度两个工艺参数对装夹约束效果和焊接变形的影响。针对不同装夹约束下的大型薄壁结构焊接变形进行搅拌摩擦焊实验,进一步验证仿真计算的焊接变形变化规律。(3)火箭贮箱大型薄壁结构装夹方案优化设计在“N-2-1”定位原理基础上,以单个零件在装夹状态下应变能最小为优化目标,结合ABAQUS有限元技术和离散粒子群算法,建立火箭贮箱关键零件的装夹优化模型;采用有限元计算单个零件的整体应变能,MATLAB编写离散粒子群优化算法,对不同构型的大型薄壁结构的夹具约束位置进行寻优;分别采用优化前后的装夹约束对贮箱壁板和瓜瓣进行焊接数值仿真计算,对比装夹优化前后的焊接变形,验证该优化方案的可行性。