受飞机零部件制造误差、装配变形等因素影响,飞机装配接合面之间容易产生装配间隙,加垫补偿是有效消除间隙、提高飞机结构强度和疲劳寿命的工艺措施。在飞机装配中,对于如何有效控制装配间隙、科学恰当地进行加垫补偿,尚缺乏相关理论和方法的支持,难以在数字化装配体系中促进间隙控制、加垫设计自动化。本文针对飞机结构装配间隙展开研究,对飞机装配间隙协调控制方法、加垫方案设计及力学分析、垫片数字化设计软件进行系统研究。主要研究内容如下:介绍了国内外飞机数字化装配技术的发展现状,论述了加垫补偿技术研究背景和应用概况,阐述了装配间隙协调、数字化加垫补偿以及补偿效果分析的主要内容和研究意义,给出了本文的总体框架和组织结构。提出了基于飞机组件位姿协调的间隙控制方法,利用分步对齐策略将组件初始对齐,再通过微调组件位姿控制间隙分布。给出了位姿微变换数学定义,推导出由组件位姿微调所引起的间隙增量表达式。以装配对象位姿为变量,以装配间隙之和最小为目标,以预设间隙容差为约束,建立了接合面多个区域间隙优化模型,以SVD分解法和PHR优化算法对模型进行求解,所得最优化位姿用来指导组件协调定位,实现装配间隙的主动分配。针对飞机装配间隙的非均匀特性,提出一种垫片参数数字化设计和有限元选优方法。基于扫描测量数据和装配间隙计算结果,利用种子点和区域增长算法,分割局部间隙区域点云,利用点云切片方法提取点云截面线。以截面线为间隙轮廓,以制孔边距、垫片规格、间隙大小为约束,提出垫片参数设计算法。利用Delaunay三角化法将局部点云反求为组件接合面并建立加垫结构几何模型,采用Johnson-Cook和Traction-Separation材料模型对各加垫结构进行有限元拉伸模拟,全面地分析不同加垫方案下结构的应力应变、初始刚度、承载能力及损伤形态,提出加垫方案优选依据,为装配间隙补偿提供技术支撑。为了更全面地分析加垫方式对连接结构力学性能的影响规律,设计制作了加垫螺接铝合金实验件,进行了有限次循环拉伸实验和破坏实验,通过对比拉伸应变、二次弯曲、结构刚度及破坏形态,验证有限元模型的正确性。以有限元仿真为主要分析方法,以0.2mm,0.6mm,1.0mm,1.4mm装配间隙为典型示例,分析了不加垫、加液态垫、加固态垫以及加固/液混合垫对连接结构应力应变、位移变形和承载性能的影响规律,并对垫片自身的应力集中、位移分布等展开对比分析,阐述了不同厚度/材质垫片对结构性能造成影响的原因,为飞机装配加垫补偿工艺改进提供参考。介绍了扫描测量系统的组成、精度以及数据传递路线,从工艺集成管理角度分析了垫片数字化设计软件实际需求。充分利用飞机理论数模信息,将加垫补偿工艺相关信息组合为结构化工艺模板,存储至装配数据库。将扫描数据与工艺模板信息相结合,实现了间隙超差判定、间隙可视化、加垫方案设计及数据关系结构设计等方法。采用面向对象的软件设计思想,开发实现了垫片数字化设计软件系统,提高加垫工艺数据分析处理能力和飞机装配自动化程度。最后,总结了论文的主要研究内容和创新点,并对有待进一步研究的内容进行了展望。