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）對大型整體薄壁結構件提取局部結構特征；2）對局部結構特征有限元仿真分析，得到優化的切削工藝；3）對大型整體毛坯件數值建模，并加載初始內應力；4）擬定刀具軌跡，即擬定各個特征結構的加工順序；5）整體結構件仿真分析，得到工藝技術條件下的預測變形結果；6）調整及優化裝夾方案，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行提前分析預測，從而調整相應的加工策略，有效控制加工變形，縮短零件的生產周期，降低生產成本。
【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]【技術領域】:
本發明屬于機械加工領域，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】:
目前現代航空航天產品在選擇高比強度材料的同時，大量采用具有較低結構重量比的整體結構。整體結構具有重量輕，剛度高，可靠性好等優點，但是整體結構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構件局部尺寸超差，外形輪廓達不到精度要求，并且加工過程中也釋放了大量的殘余應力，引起整體結構件外形變形嚴重，影響產品的裝配和使用性能。現有的大型薄壁結構件加工變形控制方法，一是邊試切邊調整的方法，這種方法常常會導致零件加工周期過長，而且加工的零件產品質量不穩定，且較強的依賴操作技術人員的經驗；二是通過零件加工過程中內部應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構的零件加工才有效，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力的方法去除變形，這種方法嚴重的影響零件內部材料組織結構，同時校正過程中常會出現裂紋，應力分布不均的情況，嚴重影響零件的質量。


【發明內容】

[0003]本發明的目的在于提供一種大型整體薄壁結構件加工精度控制的方法，該方法是在零件投入生產之前，預先對零件加工過程中所采用的切削工藝條件導致的零件局部結構尺寸超差和整體結構件加工變形等問題進行一系列的分析和預測，然后根據分析預測的結果，調整相應的切削工藝措施，進而控制整體薄壁結構件的加工精度。此方法不僅可以在多種結構零件上都能得到比較好的應用，適用性廣泛，而且還能縮短零件生產周期，降低生成成本，提聞廣品的質量。
[0004]實現本發明目的技術方案如下: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構件的局部結構特征，即組成此類薄壁結構件的基本特征單元，包括側壁、腹板的尺寸信息；
2)對提取出的局部結構特征進行有限元仿真分析，包括局部結構特征的有限元建模、有限元前處理、分析運算以及結果后處理；
2.1對提取出的局部結構特征和設置的切削工藝條件進行有限元建模；
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置的數據進行求解得到在一定的切削參數和切削路徑條件下的加工變形預測結果；
2.4將運算完成的結果以可視化的形式輸出，調整切削工藝條件，返回步驟2.1，直至達到所設定的迭代次數；
2.5對得到的結果進行對比分析，選出導致局部結構特征加工變形最小的一組切削工藝條件。
[0005]運算分析是將有限元前處理設置的數據利用有限元軟件abaqus中自帶的算法求解器進行求解，結果后處理是將運算完成的結果以可視化的形式輸出，如結果云圖、曲線圖、表格等，然后調整切削工藝條件，重新仿真分析，得到相應的加工變形預測結果；然后對得到的結果進行對比分析，選出導致局部結構特征加工變形最小的一組切削工藝條件；
3)對大型整體薄壁結構件所用的毛坯進行有限元建模,并加載初始內應力；加載初始內應力的步驟包括測量毛坯表面殘余內應力、計算毛坯內部殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力；毛坯表面殘余應力的測量采用鉆盲孔法測量，毛坯內部殘余內應力利用裂紋柔度法計算，計算公式為

【權利要求】
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構件的局部結構特征，即組成此類薄壁結構件的基本特征單元，包括側壁、腹板的尺寸信息； 2)對提取出的局部結構特征進行有限元仿真分析，包括局部結構特征的有限元建模、有限元前處理、分析運算以及結果后處理； 3)對大型整體薄壁結構件所用的毛坯進行有限元建模,并加載初始內應力；加載初始內應力的步驟包括測量毛坯表面殘余內應力、計算毛坯內部殘余內應力以及加載毛坯整體殘余內應力； 4)擬定刀具軌跡，即擬定各個局部特征結構的加工順序； 5)對建立的整體結構件毛坯模型進行仿真分析，得到不同的刀具軌跡工藝技術條件下的預測變形結果； 6)調整及優化裝夾方案，控制整體加工變形。
2.根據權利要求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對提取出的局部結構特征和設置的切削工藝條件進行有限元建模； 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置的數據進行求解得到在一定的切削參數和切削路徑條件下的加工變形預測結果； 2.4將運算完成的結果以可視化的形式輸出，調整切削工藝條件，返回步驟2.1，直至達到所設定的迭代次數； 2.5對得到的結果進行對比分析，選出導致局部結構特征加工變形最小的一組切削工藝條件。
3.根據權利要求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)中毛坯表面殘余應力的測量采用鉆盲孔法測量，毛坯內部殘余內應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，O為X= 時的應力值，h為毛坯總厚度；毛坯整體殘余內應力根據“力平衡、力矩平衡”的原則進行加載。
4.根據權利要求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、環形銑削方式、對稱銑削方式擬定初始刀具軌跡。
5.根據權利要求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)中整體結構件的仿真分析包括有限元前處理、運算分析以及結果后處理: . 5.1對建立的整體結構件毛坯模型進行有限元前處理，包括根據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置的數據進行求解，得到不同的刀具軌跡工藝技術條件下的預測變形結果； . 5.3將上述結果以可視化的形式輸出，并對仿真結果進行對比分析，選出導致整體薄壁結構件加工變形最小的一組刀具軌跡方案。
6.根據權利要求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根據步驟5.3輸出的不同的刀具軌跡工藝技術條件下的預測變形結果，對比得出零件加工變形最大的區域以及最大變形量； . 6.2在變形最大的區域增加工藝壓塊、輔助支撐措施； . 6.3在整體結構件有限元模型中將變形最大的區域增加邊界條件，限制相應自由度，采用有限元法對增加邊界條件后的整體結構件有限元模型進行有限元運算分析，得到零件加工變形最大的區域以及最大變形量，返回步驟6.2，直至最大變形量達到所設定的值，得到最優的裝 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 優先權日:2014年6月24日
【發明者】趙妍, 何臨江, 楊年寶, 蘇宏華, 申運鋒, 付嘉寶, 徐九華 申請人:南京晨光集團有限責任公司, 南京航空航天大學