Physics-Informed Graph Neural Network for High-Precision Selective Assembly of Aero-Engine Bevel Gearboxes: A Mechanism-Data Fusion Approach

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作者
Huaqiu Ding,Jihong Yan
出处
期刊:Journal of Computing and Information Science in Engineering [ASM International]
卷期号:26 (11): 1-44
标识
DOI:10.1115/1.4072732
摘要

Abstract The assembly of aero-engine accessory gearboxes is a critical process governed by complex nonlinear geometric error propagation. Achieving high-precision assembly is often hindered by the limitations of traditional analytical models in capturing contact deformations and the scarcity of labeled data for data-driven approaches. To address these challenges, this article proposes a physics-informed graph neural network for selective assembly (PI-GNN-SA). Moving beyond standard data-driven paradigms, our framework formally translates the classical small displacement torsor (SDT) kinematic theory into a differentiable topological regularizer. This mechanism enforces rigorous geometric loop closure constraints, enabling the network to learn physically consistent representations within a highly sparse data manifold, effectively preventing the severe overfitting common in purely data-driven models. The trained PI-GNN serves as a high-fidelity surrogate model within a nondominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) to optimize part matching. Experimental results based on real industrial data demonstrate that the proposed method reduces the root mean square error (RMSE) of backlash prediction by 43.5% compared to state-of-the-art graph networks. Furthermore, the optimized selective assembly strategy achieves a 96.5% one-pass qualification rate, significantly outperforming traditional methods. This work provides a robust, interpretable, and efficient solution for intelligent assembly in the aerospace industry.
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