基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，包括以下步驟：1）對大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件提取局部結(jié)構(gòu)特征；2）對局部結(jié)構(gòu)特征有限元仿真分析，得到優(yōu)化的切削工藝；3）對大型整體毛坯件數(shù)值建模，并加載初始內(nèi)應(yīng)力；4）擬定刀具軌跡，即擬定各個特征結(jié)構(gòu)的加工順序；5）整體結(jié)構(gòu)件仿真分析，得到工藝技術(shù)條件下的預(yù)測變形結(jié)果；6）調(diào)整及優(yōu)化裝夾方案，控制加工變形；此方法采用有限元仿真的方法，能夠在實際加工零件之前進(jìn)行提前分析預(yù)測，從而調(diào)整相應(yīng)的加工策略，有效控制加工變形，縮短零件的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。
【專利說明】基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，具體是一種基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
目前現(xiàn)代航空航天產(chǎn)品在選擇高比強(qiáng)度材料的同時，大量采用具有較低結(jié)構(gòu)重量比的整體結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)具有重量輕，剛度高，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但是整體結(jié)構(gòu)件由單一毛坯切削加工而成，材料利用率低，在去除大量材料的同時，由切削力和切削熱引起的整體結(jié)構(gòu)件局部尺寸超差，外形輪廓達(dá)不到精度要求，并且加工過程中也釋放了大量的殘余應(yīng)力，引起整體結(jié)構(gòu)件外形變形嚴(yán)重，影響產(chǎn)品的裝配和使用性能。現(xiàn)有的大型薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形控制方法，一是邊試切邊調(diào)整的方法，這種方法常常會導(dǎo)致零件加工周期過長，而且加工的零件產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，且較強(qiáng)的依賴操作技術(shù)人員的經(jīng)驗；二是通過零件加工過程中內(nèi)部應(yīng)力相互抵消的方法來控制加工變形，這種控制方法只能對具有雙面對稱結(jié)構(gòu)的零件加工才有效，適用性比較狹窄，而且并不能完全保證零件的加工精度，零件尺寸超差問題嚴(yán)重。三是通過零件加工后校正的方法去除零件變形，即在中間工序酌情增加校正工序或使用專用工裝。這種校正的方法是依靠外部施加應(yīng)力的方法去除變形，這種方法嚴(yán)重的影響零件內(nèi)部材料組織結(jié)構(gòu)，同時校正過程中常會出現(xiàn)裂紋，應(yīng)力分布不均的情況，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工精度控制的方法，該方法是在零件投入生產(chǎn)之前，預(yù)先對零件加工過程中所采用的切削工藝條件導(dǎo)致的零件局部結(jié)構(gòu)尺寸超差和整體結(jié)構(gòu)件加工變形等問題進(jìn)行一系列的分析和預(yù)測，然后根據(jù)分析預(yù)測的結(jié)果，調(diào)整相應(yīng)的切削工藝措施，進(jìn)而控制整體薄壁結(jié)構(gòu)件的加工精度。此方法不僅可以在多種結(jié)構(gòu)零件上都能得到比較好的應(yīng)用，適用性廣泛，而且還能縮短零件生產(chǎn)周期，降低生成成本，提聞廣品的質(zhì)量。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案如下:一種基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，包括以下步驟:
1)提取大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)特征，即組成此類薄壁結(jié)構(gòu)件的基本特征單元，包括側(cè)壁、腹板的尺寸信息；
2)對提取出的局部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行有限元仿真分析，包括局部結(jié)構(gòu)特征的有限元建模、有限元前處理、分析運(yùn)算以及結(jié)果后處理；
2.1對提取出的局部結(jié)構(gòu)特征和設(shè)置的切削工藝條件進(jìn)行有限元建模；
2.2對建立的有限元模型賦予材料屬性、加載邊界條件、定義接觸屬性和加載載荷；
2.3采用有限元法對有限元前處理設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行求解得到在一定的切削參數(shù)和切削路徑條件下的加工變形預(yù)測結(jié)果；
2.4將運(yùn)算完成的結(jié)果以可視化的形式輸出，調(diào)整切削工藝條件，返回步驟2.1，直至達(dá)到所設(shè)定的迭代次數(shù)；
2.5對得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，選出導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)特征加工變形最小的一組切削工藝條件。
[0005]運(yùn)算分析是將有限元前處理設(shè)置的數(shù)據(jù)利用有限元軟件abaqus中自帶的算法求解器進(jìn)行求解，結(jié)果后處理是將運(yùn)算完成的結(jié)果以可視化的形式輸出，如結(jié)果云圖、曲線圖、表格等，然后調(diào)整切削工藝條件，重新仿真分析，得到相應(yīng)的加工變形預(yù)測結(jié)果；然后對得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，選出導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)特征加工變形最小的一組切削工藝條件；
3)對大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件所用的毛坯進(jìn)行有限元建模,并加載初始內(nèi)應(yīng)力；加載初始內(nèi)應(yīng)力的步驟包括測量毛坯表面殘余內(nèi)應(yīng)力、計算毛坯內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力以及加載毛坯整體殘余內(nèi)應(yīng)力；毛坯表面殘余應(yīng)力的測量采用鉆盲孔法測量，毛坯內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力利用裂紋柔度法計算，計算公式為

【權(quán)利要求】
1.一種基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，其特征在于包括以下步驟: 1)提取大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)特征，即組成此類薄壁結(jié)構(gòu)件的基本特征單元，包括側(cè)壁、腹板的尺寸信息； 2)對提取出的局部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行有限元仿真分析，包括局部結(jié)構(gòu)特征的有限元建模、有限元前處理、分析運(yùn)算以及結(jié)果后處理； 3)對大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件所用的毛坯進(jìn)行有限元建模,并加載初始內(nèi)應(yīng)力；加載初始內(nèi)應(yīng)力的步驟包括測量毛坯表面殘余內(nèi)應(yīng)力、計算毛坯內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力以及加載毛坯整體殘余內(nèi)應(yīng)力； 4)擬定刀具軌跡，即擬定各個局部特征結(jié)構(gòu)的加工順序； 5)對建立的整體結(jié)構(gòu)件毛坯模型進(jìn)行仿真分析，得到不同的刀具軌跡工藝技術(shù)條件下的預(yù)測變形結(jié)果； 6)調(diào)整及優(yōu)化裝夾方案，控制整體加工變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，其特征在于所述步驟2)的具體過程如下: 2.1對提取出的局部結(jié)構(gòu)特征和設(shè)置的切削工藝條件進(jìn)行有限元建模； 2.2對建立的有限元模型賦予材料屬性、加載邊界條件、定義接觸屬性和加載載荷； 2.3采用有限元法對有限元前處理設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行求解得到在一定的切削參數(shù)和切削路徑條件下的加工變形預(yù)測結(jié)果； 2.4將運(yùn)算完成的結(jié)果以可視化的形式輸出，調(diào)整切削工藝條件，返回步驟2.1，直至達(dá)到所設(shè)定的迭代次數(shù)； 2.5對得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，選出導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)特征加工變形最小的一組切削工藝條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步驟3)中毛坯表面殘余應(yīng)力的測量采用鉆盲孔法測量，毛坯內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力利用裂紋柔度法計算，計算公式為
其中，f為從毛坯中性面到表層的厚度坐標(biāo)，O為X= 時的應(yīng)力值，h為毛坯總厚度；毛坯整體殘余內(nèi)應(yīng)力根據(jù)“力平衡、力矩平衡”的原則進(jìn)行加載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步驟4)中分別采用順序銑削方式、奇偶銑削方式、環(huán)形銑削方式、對稱銑削方式擬定初始刀具軌跡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步驟5)中整體結(jié)構(gòu)件的仿真分析包括有限元前處理、運(yùn)算分析以及結(jié)果后處理: . 5.1對建立的整體結(jié)構(gòu)件毛坯模型進(jìn)行有限元前處理，包括根據(jù)不同的刀具軌跡賦予有限元模型材料屬性、加載邊界條件、定義接觸屬性和加載載荷； .5.2采用有限元法對有限元前處理設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，得到不同的刀具軌跡工藝技術(shù)條件下的預(yù)測變形結(jié)果； . 5.3將上述結(jié)果以可視化的形式輸出，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，選出導(dǎo)致整體薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形最小的一組刀具軌跡方案。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于有限元分析的大型整體薄壁件加工精度控制方法，其特征在于:所述步驟6)的具體方法如下: . 6.1根據(jù)步驟5.3輸出的不同的刀具軌跡工藝技術(shù)條件下的預(yù)測變形結(jié)果，對比得出零件加工變形最大的區(qū)域以及最大變形量； . 6.2在變形最大的區(qū)域增加工藝壓塊、輔助支撐措施； . 6.3在整體結(jié)構(gòu)件有限元模型中將變形最大的區(qū)域增加邊界條件，限制相應(yīng)自由度，采用有限元法對增加邊界條件后的整體結(jié)構(gòu)件有限元模型進(jìn)行有限元運(yùn)算分析，得到零件加工變形最大的區(qū)域以及最大變形量，返回步驟6.2，直至最大變形量達(dá)到所設(shè)定的值，得到最優(yōu)的裝 夾方案。
【文檔編號】G06F17/50GK104077442SQ201410291022
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】趙妍, 何臨江, 楊年寶, 蘇宏華, 申運(yùn)鋒, 付嘉寶, 徐九華 申請人:南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司, 南京航空航天大學(xué)