變曲率型材滾彎有限元分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變曲率型材滾彎有限元分析方法。屬于飛機(jī)鈑金成形【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法首先分析四輥滾彎機(jī)床幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在大型有限元軟件中建立各滾輪與型材的數(shù)學(xué)模型并按滾彎機(jī)床幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，設(shè)置型材的初始左右滾輪位移量，建立等曲率滾彎標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)分析模型并提交運(yùn)算，得到該種情況下的成形型材曲率半徑；然后改變左右滾輪位移量，重復(fù)計(jì)算，得到左右滾輪位移量與成形滾彎型材曲率半徑之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后利用對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)型材進(jìn)行分段變曲率滾彎有限元靜態(tài)分析，通過比較有限元分析結(jié)果的曲率半徑與型材數(shù)模曲率半徑的誤差，誤差較大的部位適當(dāng)修改各等弧長分段點(diǎn)處的左右滾輪位移量，重新計(jì)算，直至誤差滿足要求。
【專利說明】變曲率型材滾彎有限元分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種新型變曲率型材滾彎有限元分析方法，屬于飛機(jī)鈑金成形技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在飛機(jī)生產(chǎn)中，滾彎成形用于成形框肋緣條、機(jī)身前后段和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙長桁等這些截面形狀復(fù)雜、變曲率的彎曲件，采用有限元計(jì)算的分析方法能節(jié)約成本，提高效率。周養(yǎng)萍的型材滾彎研究碩士論文中的變曲率型材滾彎有限元分析方法是采用變曲率型材等曲率逼近，該方法首先基于彈塑性理論對(duì)型材滾彎成形的基本理論及滾彎中的彈性回復(fù)進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出型材滾彎成形回彈半徑的表達(dá)式，建立了等曲率滾彎回彈半徑計(jì)算模型，利用回彈計(jì)算模型推導(dǎo)出滾彎工藝參數(shù)，然后利用有限元分析軟件對(duì)型材進(jìn)行分段等曲率滾彎模擬分析。該方法通過理論推導(dǎo)得出的回彈計(jì)算模型本身建立在假定型材在彎曲滾輪之間的彎曲變形部分是圓弧狀，且回彈半徑公式中的材料應(yīng)變剛模量參數(shù)難于獲得；同時(shí)該種方法在每個(gè)分段內(nèi)為等曲率，而實(shí)際上型材在每個(gè)分段內(nèi)并非等曲率。此種有限元分析方法滾彎得到的型材成形精度不高，模擬得到的型材曲率半徑與型材數(shù)模曲率半徑誤差較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有變曲率型材滾彎有限元分析結(jié)果誤差較大，精度不高的問題，提供一種誤差小、精度高的變曲率型材滾彎有限元分析方法。
[0004]針對(duì)上述問題，本發(fā)明所述的新型變曲率型材滾彎有限元分析方法，包括以下步驟:
1)提取所要加工的型材數(shù)模的一條邊沿線作為特征曲線，進(jìn)行曲率半徑分析，其中綜合考慮曲率及長度后將型材數(shù)模特征曲線平均分成η段，并得到η+1個(gè)弧長等分段點(diǎn)的曲率半徑；
2)分析四軸滾彎機(jī)幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，該四軸滾彎機(jī)包括上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪；在有限元分析軟件中建立滾輪與型材毛坯的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行裝配，設(shè)置左右滾輪初始位移量；
3)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸定義，建立型材等曲率滾彎標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)分析模型，對(duì)型材等曲率滾彎分析模型進(jìn)行計(jì)算。將計(jì)算完成的型材等曲率網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格模型重構(gòu)，得到重構(gòu)后的型材數(shù)模，再對(duì)該重構(gòu)型材數(shù)模進(jìn)行特征曲線曲率半徑分析，得到該左右滾輪位移量下對(duì)應(yīng)的曲率半徑值；
4)不斷改變左右滾輪位移量，重復(fù)步驟3)，從而得到不同左右滾輪位移量下對(duì)應(yīng)的曲率半徑值，即等曲率滾彎規(guī)律；
5)根據(jù)4)中結(jié)果推導(dǎo)出所要加工的型材數(shù)模特征曲線的各個(gè)等分段點(diǎn)處曲率半徑對(duì)應(yīng)的左右滾輪位移量；將各等分段點(diǎn)對(duì)應(yīng)的左右滾輪位移量記為hl，h2，……h(huán)(n+l)； 6)將4)中得到的等曲率滾彎規(guī)律應(yīng)用于變曲率型材滾彎有限元分析，過程分為n+2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)分析步:
設(shè)置第一個(gè)分析步、左右滾輪運(yùn)動(dòng)到位移量為hl，上下滾輪暫時(shí)不動(dòng)；
第二個(gè)分析步、對(duì)應(yīng)左右滾輪位移量從hi勻速變化到h2，上下滾輪勻速繞中心旋轉(zhuǎn)s
rad ；
第三個(gè)分析步、左右滾輪位移量從h2勻速變化到h3，上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)s rad ；
依次設(shè)置后面各個(gè)分析步對(duì)應(yīng)的滾輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
第n+2個(gè)分析步、上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)m rad，使型材完全從上下輪中滾出；
上述s等于型材數(shù)模特征曲線等分段長度除于上滾輪最大半徑;m為確保型材完全從上下輪中滾出的上下滾輪轉(zhuǎn)角；
進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸定義，建立變曲率型材滾彎分析模型并提交計(jì)算，將計(jì)算完成的型材變曲率網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格模型重構(gòu)，得到重構(gòu)后的變曲率型材數(shù)模；
7)將重構(gòu)后的變曲率型材數(shù)模征線各等分段點(diǎn)曲率半徑與所要加工的型材數(shù)模上的特征曲線等分段點(diǎn)曲率半徑對(duì)比，誤差超過范圍的分段點(diǎn)處調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)分析步的左右滾輪位移量，重新模擬計(jì)算，直至模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的型材特征曲線曲率半徑與所要加工的型材數(shù)模特征曲線曲率半徑滿足誤差要求。
[0005]采用該種變曲率型材滾彎有限元分析方法，運(yùn)用有限元分析等曲率滾彎過程而得到滾彎規(guī)律，這比理論公式更加直接準(zhǔn)確；并采用分段變曲率滾彎有限元分析使?jié)L彎分析過程中各分段也為變曲率，從而使得分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，誤差更小，精度更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為變曲率2字形型材數(shù)模示意圖，其中I為型材特征曲線；
圖2為型材數(shù)模特征曲線曲率半徑分析，其中2，3……12為特征曲線弧長等分段點(diǎn)； 圖3為各等分段點(diǎn)處的曲率半徑值；
圖4為數(shù)控滾彎機(jī)的平面圖。其中13為左滾輪中心轉(zhuǎn)軸，14為左滾輪；15為下滾輪導(dǎo)向槽；16為上滾輪；17為右滾輪；18為下滾輪；
圖5為型材截面尺寸圖；
圖6為有限元分析裝配模型。其中19為左滾輪參考點(diǎn)RP4 ；20為左滾輪分析模型；21型材模型；22為上滾輪分析模型；23為上滾輪參考點(diǎn)RPl ；24為下滾輪參考點(diǎn)RP2 ；25為右滾輪分析模型；26為右滾輪參考點(diǎn)RP3 ；27為下滾輪分析模型；
圖7為2099-T83鋁鋰合金的力學(xué)性能參數(shù)；
圖8為變曲率滾彎有限元分析完成結(jié)果圖；
圖9為型材左右滾輪上升量及滾彎后曲率半徑分布。

【具體實(shí)施方式】
[0007]現(xiàn)以典型鋁鋰合金2字形型材的變曲率滾彎為實(shí)施例，結(jié)合附圖，介紹基于MC4P型三維四輥數(shù)控滾彎機(jī)的2字形的新型變曲率型材滾彎有限元分析方法，包括以下步驟:
1，依據(jù)所要成形的2型材(圖1)，所要加工的型材長度為1440mm，提取特征曲線I (圖1)進(jìn)行曲率半徑分析(圖2)。得到11個(gè)等弧長分點(diǎn)的曲率半徑(圖3)。
[0008]2，分析MC4P型三維四輥數(shù)控滾彎機(jī)(圖4)，上滾輪中心固定，下滾輪中心可以沿導(dǎo)向槽上下運(yùn)動(dòng)。左滾輪、右滾輪中心繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009]3，根據(jù)型材截面外形(圖5)，確定所有滾輪的幾何形狀，在有限元分析軟件中建立厚度為2mm，長度為1800mm殼形式的型材，滾輪采用旋轉(zhuǎn)殼，依據(jù)數(shù)控滾彎機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)，建立有限元分析中的裝配模型(圖6)。上滾輪繞RP-1轉(zhuǎn)動(dòng)，下滾輪繞RP-2轉(zhuǎn)動(dòng)，左滾輪中心繞RP-4轉(zhuǎn)動(dòng)，右滾輪中心繞RP-3轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0010]4，輸入型材的材料模型(圖7)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置上滾輪的參考點(diǎn)為RP1，下滾輪參考點(diǎn)為RP2,左滾輪參考點(diǎn)為RP4,右滾輪參考點(diǎn)為RP3,設(shè)置上下輪與型材的接觸摩擦系數(shù)為0.02，左右滾輪與型材的摩擦忽略，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和接觸定義。
[0011]5，為模擬等曲率滾彎，建立標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)分析步，第一個(gè)分析步設(shè)置左右滾輪抬升量為 34mm。
[0012]6，第二個(gè)分析步上下滾輪繞其參考點(diǎn)勻速旋轉(zhuǎn)1rad，型材向左移動(dòng)并最終完全從上下滾輪中滾出，建立好有限元分析模型。
[0013]7，將分析模型提交計(jì)算，計(jì)算完成后對(duì)滾彎模擬完的網(wǎng)格狀的型材進(jìn)行重構(gòu)型材數(shù)模，并對(duì)重構(gòu)后的型材數(shù)模特征曲線進(jìn)行曲率分析，得到在左右滾輪抬升量為34mm對(duì)應(yīng)的型材特征曲線曲率半徑值。
[0014]8，改變左右滾輪抬升量，重復(fù)步驟6，7從而得到左右滾輪抬升量與型材特征線曲率半徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0015]9，將得到的滾彎成形規(guī)律應(yīng)用于型材的變曲率滾彎有限元分析，有限元分析中改用長度為2800mm的型材，根據(jù)步驟7中推導(dǎo)出圖2中等分段點(diǎn)2至12曲率半徑值對(duì)應(yīng)的滾彎中左右滾輪抬升量分別為 36.2mm, 36.4 mm, 37.7 mm, 38.3 mm, 39.1 mm, 39.7 mm, 40.6mm, 39.1 mm, 39.3 mm, 39.2 mm, 38.9 mm0
[0016]10，設(shè)置第I個(gè)分析步、左右滾輪抬升量為36.2 mm ;
第2個(gè)分析步、左右滾輪抬升量從36.2mm勻速變化到36.4mm,上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)0.8rad，使型材向左滾動(dòng)144_，從而成形第I段變曲率型材；
第3個(gè)分析步、左右滾輪抬升量從36.4mm勻速變化到37.7mm,上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)0.8rad,成形第2段變曲率型材；
依次類推第11個(gè)分析步、左右滾輪抬升量從39.2mm勻速變化到38.9mm,上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)0.Srad，成形第10段變曲率型材，最后增加一個(gè)分析步，使上下滾輪旋轉(zhuǎn)5rad使型材完全從上下輪中滾出。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸定義，建立好變曲率型材分析模型提交計(jì)算。
[0017]11，計(jì)算完成后，對(duì)變曲率滾彎有限元分析計(jì)算完的網(wǎng)格狀的型材進(jìn)行重構(gòu)型材數(shù)模，并對(duì)重構(gòu)后的型材數(shù)模特征曲線進(jìn)行曲率分析，將重構(gòu)后的變曲率型材數(shù)模特征線各對(duì)應(yīng)等分段點(diǎn)曲率半徑與所要加工的型材數(shù)模上的特征曲線等分段點(diǎn)曲率半徑對(duì)比，誤差超過范圍的分段點(diǎn)處調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)分析步的左右滾輪位移量，重新模擬分析，直至模擬分析結(jié)果對(duì)應(yīng)的型材特征曲線曲率半徑與所要加工的型材數(shù)模特征曲線曲率半徑滿足誤差要求；
12，最終確定的各等分段點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的左右滾輪抬升量為36.2mm，36.5mm, 37.8mm,38.3mm, 39.1mm, 39.7mm, 40.6mm, 39.3mm, 39.5mm, 39.4mm, 38.8mm。得到計(jì)算分析結(jié)果(圖
8)，對(duì)分析計(jì)算完的網(wǎng)格狀的型材進(jìn)行重構(gòu)型材數(shù)模，對(duì)重構(gòu)后的型材數(shù)模進(jìn)行曲率分析，得到各對(duì)應(yīng)等分段曲率半徑分析結(jié)果(圖9)。
【權(quán)利要求】
1.一種變曲率型材滾彎有限元分析方法，其特征在于包括以下步驟: 提取所要加工的型材數(shù)模的一條邊沿線作為特征曲線，進(jìn)行曲率半徑分析，其中綜合考慮曲率及長度后將型材數(shù)模特征曲線平均分成η段，并得到η+1個(gè)弧長等分段點(diǎn)的曲率半徑； 分析四軸滾彎機(jī)幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，該四軸滾彎機(jī)包括上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪；在有限元分析軟件中建立滾輪與型材毛坯的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行裝配，設(shè)置左右滾輪初始位移量； 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸定義，建立型材等曲率滾彎標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)分析模型，對(duì)型材等曲率滾彎分析模型進(jìn)行計(jì)算；將計(jì)算完成的型材等曲率網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格模型重構(gòu)，得到重構(gòu)后的型材數(shù)模，再對(duì)該重構(gòu)型材數(shù)模進(jìn)行特征曲線曲率半徑分析，得到該左右滾輪位移量下對(duì)應(yīng)的曲率半徑值； 不斷改變左右滾輪位移量，重復(fù)步驟3)，從而得到不同左右滾輪位移量下對(duì)應(yīng)的曲率半徑值，即等曲率滾彎規(guī)律； 根據(jù)4)中結(jié)果推導(dǎo)出所要加工的型材數(shù)模特征曲線的各個(gè)等分段點(diǎn)處曲率半徑對(duì)應(yīng)的左右滾輪位移量；將各等分段點(diǎn)對(duì)應(yīng)的左右滾輪位移量記為hl，h2，……h(huán)(n+l)； 將4)中得到的等曲率滾彎規(guī)律應(yīng)用于變曲率型材滾彎有限元分析，過程分為n+2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)分析步: 設(shè)置第一個(gè)分析步、左右滾輪運(yùn)動(dòng)到位移量為hl，上下滾輪暫時(shí)不動(dòng)； 第二個(gè)分析步、對(duì)應(yīng)左右滾輪位移量從hi勻速變化到h2，上下滾輪勻速繞中心旋轉(zhuǎn)srad ； 第三個(gè)分析步、左右滾輪位移量從h2勻速變化到h3，上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)s rad ； 依次設(shè)置后面各個(gè)分析步對(duì)應(yīng)的滾輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 第n+2個(gè)分析步、上下滾輪勻速旋轉(zhuǎn)m rad，使型材完全從上下輪中滾出； 上述s等于型材數(shù)模特征曲線等分段長度除于上滾輪最大半徑;m為確保型材完全從上下輪中滾出的上下滾輪轉(zhuǎn)角； 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸定義，建立變曲率型材滾彎分析模型并提交計(jì)算，將計(jì)算完成的型材變曲率網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格模型重構(gòu)，得到重構(gòu)后的變曲率型材數(shù)模； 7)將重構(gòu)后的變曲率型材數(shù)模征線各等分段點(diǎn)曲率半徑與所要加工的型材數(shù)模上的特征曲線等分段點(diǎn)曲率半徑對(duì)比，誤差超過范圍的分段點(diǎn)處調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)分析步的左右滾輪位移量，重新模擬計(jì)算，直至模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的型材特征曲線曲率半徑與所要加工的型材數(shù)模特征曲線曲率半徑滿足誤差要求。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104392057SQ201410711574
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】陳明和, 胡智華, 謝蘭生, 孫佳偉, 王寧 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)