薄壁结构件由于其重量轻、结构紧凑等特点,被广泛应用于航空航天领域。但这些薄壁结构件大多结构复杂、刚度低、精度要求高,在加工过程中极易发生变形。薄壁结构件自身的材料属性、结构特征,加工中切削力、热作用下的局部弹性变形,残余应力不均匀分布和重分布过程,以及夹具装夹方案的选择都是影响其加工变形的重要因素。薄壁件加工变形问题已成为影响航空航天工业发展的共性问题之一。为研究薄壁零件加工变形的机理并有效减少加工误差,本文在综观国内外航空薄壁结构件加工技术研究的基础上,以航空铝合金薄壁结构件加工精度的优化与控制为研究目标,结合理论分析,综合应用有限元仿真方法和拓扑优化方法,对航空薄壁结构件加工变形机理、预测方法展开了深入的研究,为提高该类薄壁件加工精度的控制进行了探索。针对航空铝合金薄壁结构件,基于等效切削层模型和斜角等效面的转换方法,并通过螺旋刀刃微元离散方法,构建了螺旋刀刃的三维有限元模型。利用该模型模拟了切削力、热耦合作用下,刀具从切入到切出过程的切屑形成以及形貌特征,揭示了加工过程的动态变化规律,重点分析了切削加工中应力、应变、等效应变率以及温度场的分布规律情况,结果表明:应力场以接触点为中心,呈圆形状向四周扩散,在接触区域形成一条应力集中带,最大等效应力在一定的小范围波动;切削最高温度出现在前刀面接触区域,刀具在接触区域易发生月牙凹磨损。模拟获得的应力和切削温度为进一步研究残余应力和装夹方案引起的加工变形机理奠定基础。研究了薄壁结构件毛坯初始残余应力的产生机理和切削加工过程中切削参数对残余应力分布的影响。基于裂纹柔度法提出了适合薄壁结构件毛坯内部初始残余应力的测量方法,所获结果表明:其内部残余应力呈外压内拉分布。基于三维有限元数值模拟技术,构建了加工过程中残余应力产生与重分布的理论模型和有限元模型,并分析了切削参数对残余应力产生的影响,所得结果表明:残余应力的释放与重新分布引起薄壁件变形与加工工艺、加工参数等因素紧密相关,提出合理优化切削参数能有效控制加工中的残余应力。并通过实验验证了切削速度、进给速度和切削深度对加工中残余应力的大小、性质以及残余应力层深度的影响,为进一步研究加工变形控制的工艺路线、装夹方案准备了条件。针对工件安装过程中的接触刚度和定位偏移对工件表面精度的影响,构建了工件—夹具的弹性接触模型、定位偏差模型以及定位导致偏差变化的工件变形预测模型。利用该模型所反映的接触刚度情况,确立了有限元节点接触刚度的计算方法。结合几何运动学和虚位移原理,建立了定位导致偏差变化的工件变形预测模型,模拟了工件安装定位误差而引起偏差情况,并在状态确定时,可以计算出定位导致的加工误差。最后,选择不同尺寸和形状的定位元件,对其引起误差的大小进行了比较,得出增加定位元件的有效接触面积,以及合理调整定位元件的位置可以减小定位引起偏差的工件表面精度误差。提出了基于拓扑方法的夹具辅助支撑布局优化设计的方法。首先对拓扑优化的基本原理、数学模型、优化流程以及连续体结构拓扑优化的关键技术进行了深入的研究。将拓扑优化的方法运用到了薄壁件装夹布局的优化设计中,以加工变形最小为目标函数,结合有限元方法和拓扑优化方法,使辅助支撑单元以设计变量的形式参与优化,建立辅助支撑结构固有频率的灵敏度计算模型,实现支撑结构动力学优化过程,优化出需要支撑的位置和支撑数量。同时,将拓扑优化应用到夹具布局建模中来,通过拓扑优化来决定夹紧点和定位点的位置,从而到达减小薄壁件加工变形的目的。与传统"3-2-1"严格限定的定位原则相比,其具有更好的灵活性和开放性,为工程实际中薄壁件夹具设计提供建议方案和指导。