航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域，具體涉及一種航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、鼓筒等零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、尺寸越來越大、壁厚越來越薄，而設(shè)計(jì)精度要求卻在逐漸提高，加工后產(chǎn)生的變形問題越顯突出，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配精度、使用性能和可靠性影響較大。
[0003]國外航空制造發(fā)達(dá)國家都非常重視航空薄壁零件數(shù)控加工變形問題的研究。美國三波公司依托密西根大學(xué)等若干所著名大學(xué)，共同研究和開發(fā)了能夠有效抑制整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的工藝路線優(yōu)化理論和有限元模擬軟件。法國巴黎航空工業(yè)學(xué)院與國家宇航局針對(duì)航天飛行器整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造問題，建立了專門的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室，深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題。Nervi Sebastian建立了毛還初始?xì)堄鄳?yīng)力引起加工變形的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，指出零件的最終變形情況與毛坯初始應(yīng)力的分布狀態(tài)，零件在毛坯中的位置和形狀密切相關(guān)。KeithA.Young采用數(shù)值模擬與化學(xué)銑削相結(jié)合的方法研究了銑削加工引入的殘余應(yīng)力對(duì)加工變形的影響，指出加工引入的殘余應(yīng)力、變形與切削刀具的刀尖圓弧半徑和切削刃鈍圓半徑密切相關(guān)，同時(shí)指出，航空整體結(jié)構(gòu)件的壁厚很多在2_以內(nèi)，此時(shí)銑削加工引入的殘余應(yīng)力對(duì)工件加工變形的影響不可忽略。
[0004]國內(nèi)對(duì)航空薄壁件的加工變形問題的研究主要集中在南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、航天625所和成都飛機(jī)制造公司等高校、研究所和航空制造企業(yè)。浙江大學(xué)的董輝躍等人采用有限元模擬的方法對(duì)框類零件的裝夾方案進(jìn)行了優(yōu)選，研究了不同裝夾位置分布、裝夾順序?qū)堄鄳?yīng)力、應(yīng)變的影響，使殘余應(yīng)力的分布有利于減少工件的變形。浙江大學(xué)的王立濤、南京航空航天大學(xué)的郭魂等人采用數(shù)值模擬的方法研究了走刀路徑對(duì)殘余應(yīng)力分布規(guī)律及其加工變形的影響。浙江大學(xué)的黃志剛等人在研究了殘余應(yīng)力施加、動(dòng)態(tài)切削載荷、約束轉(zhuǎn)換等銑削加工模擬關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用熱-力耦合模型對(duì)簡(jiǎn)單的三框類零件進(jìn)行了奇偶銑削、偶奇銑削和順序銑削三種加工順序下零件的變形預(yù)測(cè)。北京航空航天大學(xué)王運(yùn)巧、梅中義等人采用數(shù)值模擬技術(shù)分析了航空整體弧形結(jié)構(gòu)件和長(zhǎng)梁零件的加工變形，分析過程考慮了工件初始?xì)堄鄳?yīng)力、切削力、裝夾等因素，其分析過程沒有考慮切削熱和加工引入殘余應(yīng)力的影響。北京航空航天大學(xué)王兆俊等人基于毛坯殘余應(yīng)力的釋放研究了工件在鋁合金毛坯板厚方向上位置的選取對(duì)加工變形的影響。
[0005]國內(nèi)對(duì)航空薄壁零件加工變形及控制技術(shù)的研究主要集中于鋁合金材料的大型飛機(jī)板狀類整體結(jié)構(gòu)件的研究，只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉海濤等人對(duì)精密薄壁簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體零件的殘余應(yīng)力及變形進(jìn)行了研究，對(duì)于大型薄壁筒狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形預(yù)測(cè)及控制技術(shù)沒有過多的研究。
[0006]飛機(jī)板狀類整體結(jié)構(gòu)件廣泛采用預(yù)拉伸板材料作為毛坯，材料內(nèi)部的初始?xì)堄鄳?yīng)力分布具有規(guī)律性，并且殘余應(yīng)力值較小，所以該類零件的加工變形預(yù)測(cè)及控制相對(duì)比較容易。大型薄壁筒狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工使用的毛坯多為難加工材料鍛件，殘余應(yīng)力值較大，實(shí)測(cè)表明，殘余應(yīng)力最大極限值與最小極限值之差可達(dá)100Mpa以上(預(yù)拉伸板為200Mpa左右)，同時(shí)分布不均勻，沒有規(guī)律性，導(dǎo)致毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)加工變形的影響非常顯著，而且不易對(duì)加工變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。
[0007]對(duì)于毛還初始?xì)堄鄳?yīng)力導(dǎo)致的航空薄壁零件加工變形，國內(nèi)外普遍基于簡(jiǎn)單零件結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力釋放和重新分布的理論解析算法，采用有限元仿真分析的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。這些方法應(yīng)用于大型薄壁筒狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形預(yù)測(cè)時(shí)存在著以下不足:(I)沒有提出一種有效的殘余應(yīng)力施加方法，能夠便捷、高效的將大量的殘余應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)施加到毛坯有限元單元網(wǎng)格上，影響了加工變形有限元預(yù)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性；(2)由于有限元軟件功能的限制，不能夠嚴(yán)格按照工件的加工工藝逐步對(duì)初始?xì)堄鄳?yīng)力進(jìn)行釋放，因而加工變形預(yù)測(cè)過程與實(shí)際加工過程不相符；(3)沒有提出一種有效的方法來準(zhǔn)確分析殘余應(yīng)力釋放后未去除毛坯部位殘余應(yīng)力的重新分布情況，導(dǎo)致因該部位的殘余應(yīng)力釋放引起的加工變形預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法，揭示了非均布?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形的影響機(jī)理，以達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)該類零件加工變形的目的。
[0009]一種航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1、在三維建模軟件中，將需要去除的毛坯三維實(shí)體模型分割為多個(gè)實(shí)體模型，并在有限元軟件中建立仿真裝配模型；
[0011]所述的仿真裝配模型包括多個(gè)毛坯實(shí)體和工件實(shí)體，所述的毛坯實(shí)體個(gè)數(shù)等于加工切削去除毛坯次數(shù)；
[0012]步驟2、對(duì)所有毛坯實(shí)體進(jìn)行劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和材料屬性，提取出每個(gè)網(wǎng)格的質(zhì)心坐標(biāo)；
[0013]步驟3、采用小孔法測(cè)量所有毛坯實(shí)體對(duì)應(yīng)網(wǎng)格位置的殘余應(yīng)力，并根據(jù)實(shí)際殘余應(yīng)力測(cè)量密度設(shè)置軸向、徑向和切向的坐標(biāo)分量范圍，將所測(cè)量的殘余應(yīng)力施加于測(cè)量位置坐標(biāo)分量范圍內(nèi)的所有網(wǎng)格質(zhì)心坐標(biāo)；
[0014]步驟4、在有限元軟件中，建立不包含所要去除的毛坯實(shí)體的仿真裝配模型，并對(duì)所有毛坯實(shí)體進(jìn)行劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和材料屬性；
[0015]步驟5、在步驟I所建立的仿真裝配模型上去除所需毛坯實(shí)體，即對(duì)所要去除的毛坯實(shí)體內(nèi)的殘余應(yīng)力進(jìn)行釋放，對(duì)剩余的毛坯實(shí)體和工件實(shí)體的加工位移變形數(shù)據(jù)進(jìn)行提?。?br>[0016]步驟6、將提取的加工位移變形數(shù)據(jù)施加于步驟4所建立的不包含所要去除的毛坯實(shí)體的仿真裝配模型上，提取變形后模型每個(gè)網(wǎng)格單元的應(yīng)力數(shù)據(jù)和反作用力數(shù)據(jù)；
[0017]步驟7、在有限元軟件中，再次建立不包含所要去除的毛坯實(shí)體的仿真裝配模型，并對(duì)所有毛坯實(shí)體進(jìn)行劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和材料屬性；
[0018]步驟8、將反作用力數(shù)據(jù)施加于步驟7所建立的不包含所要去除的毛坯實(shí)體的仿真裝配模型上使模型發(fā)生變形；
[0019]步驟9、將步驟6所提取的每個(gè)網(wǎng)格單元的應(yīng)力數(shù)據(jù)與步驟3中施加于剩余毛坯實(shí)體的殘余應(yīng)力進(jìn)行疊加，獲得新的殘余應(yīng)力，將上述新的殘余應(yīng)力施加于步驟8變形后的仿真裝配模型上使其再次變形；
[0020]步驟10、反復(fù)執(zhí)行步驟4至步驟9，直至所有毛坯實(shí)體均被去除，獲得最終工件實(shí)體的加工變形量。
[0021]步驟5所述的對(duì)剩余的毛坯實(shí)體和工件實(shí)體的加工位移變形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，將提取后的加工位移變形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有限元軟件在單元節(jié)點(diǎn)上位移輸入的格式。
[0022]步驟6所述的反作用力數(shù)據(jù)，將提取后的反作用力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有限元軟件在單元節(jié)點(diǎn)上位移輸入的格式。
[0023]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
[0024]本發(fā)明提出一種航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法，該方法采用分割毛坯實(shí)體模型和施加綁定約束等方法，建立有限元仿真裝配模型，進(jìn)行殘余應(yīng)力的依次施加和逐步釋放，為模擬殘余應(yīng)力釋放-重新分布的過程提供技術(shù)支持；基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)技術(shù)，為模擬殘余應(yīng)力釋放-重新分布的過程提供有效的實(shí)現(xiàn)手段，該方法真實(shí)的反映大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工過程中，非均布?xì)堄鄳?yīng)力不斷釋放、重新分布的過程，實(shí)現(xiàn)大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法流程圖；
[0026]圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的“粗車小端”工序零件毛坯示意圖，其中，圖(a)為“粗車小端”工序需要去除的毛坯示意圖，圖(b)為內(nèi)孔毛坯示意圖，圖(C)為外圓毛坯示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的殘余應(yīng)力施加方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種實(shí)施例做進(jìn)一步說明。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例中，以某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣件“粗車小端”工序?yàn)槔?，該機(jī)匣件材料為GH4169，直徑832mm、軸向長(zhǎng)度95mm、壁厚小于1.5mm，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上典型的薄壁回轉(zhuǎn)體零件，殘余應(yīng)力導(dǎo)致的加工變形較大，切加工變形量不易準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；“粗車小端”工序加工順序?yàn)橄燃庸?nèi)孔，后加工外圓。
[0030]本發(fā)明實(shí)施例中，航空薄壁件殘余應(yīng)力釋放-重新分布過程的預(yù)測(cè)方法流程圖如圖1所示，包括以下步驟:
[0031]步驟1、在三維建模軟件中，將需要去除的毛坯三維實(shí)體模型分割為多個(gè)實(shí)體模型，并在ABAQUS有限元軟件中建立仿真裝配模型；所述的仿真裝配模型包括多個(gè)毛坯實(shí)體和工件實(shí)體，所述的毛坯實(shí)體個(gè)數(shù)等于加工切削去除毛坯次數(shù)；
[0032]本發(fā)明實(shí)施例中，如圖2所示，圖中，I表示毛坯，2表示工件，1-1表示內(nèi)孔實(shí)體，1-2表示外圓實(shí)體，“粗車小端”工序需要去除的毛坯如圖2中圖(a)