CN101702185B - 一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法。首先抽取零件中性面划分成有限元网格，对于腹板轮廓内非腹板的结构要素，采用直接沿腹板法向量方向向腹板平面直接投影的方法计算展开后网格单元节点坐标；对于腹板和待展开的弯边，采用带约束的基于单元等变形的曲面展开算法计算网格单元展开后节点坐标。本发明所述的方法面向框肋零件关键制造工序，为成形工艺和工装设计提供数据源。本发明的方法在于快速、精确计算框肋零件制造工件模型外形，满足数字化制造的需求。本发明有效地解决了飞机框肋类钣金零件数字化制造中的下料及成形工件计算问题。

Description

一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法

技术领域

本发明涉及一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法，属于飞机制造技术领域。

背景技术

框肋零件是飞机钣金零件的主要零件，包括翼肋、机身隔框或其他骨架零件。零件腹板是平的或略带曲度，周围有浅的弯边；腹板上一般分布有减轻孔、定位孔和加强埂；弯边上经常有下陷。随着飞机外形的复杂度增加，弯边一般为具有双曲率外形的曲面。

框肋零件作为飞机结构组成的重要部分，直接影响着飞机的外形准确度和结构承载能力，其制造成为决定飞机整体性能的重要环节。框肋零件的制造关键工序包括数控下料工序和橡皮囊液压成形工序，对于具有异向弯边的框肋零件需要两次橡皮囊液压成形。对于下料工序和橡皮囊液压成形工序，为进行数控编程、成形模具设计、成形模拟等工艺过程，需要制造工序下的工件模型。合理工件形状不仅可以减少成形后的修边工作量，还可改善成形过程中材料的应变分布，提高零件的成形质量。

以往，采用模拟样板模拟量传递的制造技术体系中，采用经验公式法，通过查表及查图法确定公式中的系数，计算展开样板的形状和尺寸；对于一些复杂框肋零件则由钣金制造车间采用试错法制作展开样板。然而，随着零件复杂度的增加及数字化制造技术的应用，基于经验法、试错法的传统展开技术难已适应现代飞机研制的要求。随着数字化制造技术的发展和应用，对于飞机框肋类钣金零件制造工件模型，具有集成性、快速性和精确性的设计方法才能满足飞机产品快速、高质量研制的要求。首先精密钣金成形是钣金零件制造的发展趋势，工件模型应该在满足质量要求的基础上尽可能的准确，减少后续修剪工序；其次工件模型是零件集成制造的一个环节，工件模型定义系统应既能够与上游的产品设计集成，读取零件信息，又能够与下游的数控下料、成形模具设计等系统集成；最后飞机钣金零件种类多、批次多、单件数量少，效率对于零件展开的重要性不言而喻。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法，据框肋零件结构特点和制造工序要求提供一种具有精确、集成和快速特性的工件模型设计方法，计算下料工序中的毛坯及成形工序中的工件形状。

技术方案

本发明的飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法，其特征在于按制造工序的需要对发生塑性变形而形成的曲面形状结构要素展开成平面，与该工序下不需展开的结构要素共同构成工件形状，具体步骤如下：

步骤1：将腹板平面变换零件至三维坐标系中的XY平面，采用有限元方法将零件中性面划分成网格，赋予每个网格单元不同的编号；所述的网格单元为三角单元，边长小于零件最小弯边高度的百分之二十；

步骤2：根据每个网格单元的三个节点坐标，将任意两条边向量的叉乘除以向量的模，得到网格单元的单位法向量

所述两条边向量的叉乘遵循右手定则；

步骤3：将腹板的网格与腹板轮廓内通过塑性变形而形成的减轻孔、加强窝和加强槽非腹板结构要素的网格、制造工序中待展开弯边的网格共同构成曲面片Ω₀，展开形成平面片Ω₁，具体步骤为；

步骤a：以腹板上任一网格单元ΔA₀B₀D₀为首展网格单元，将首展网格单元展开为网格单元ΔABD，网格单元ΔABD的节点A，B，D坐标等于首展网格单元ΔA₀B₀D₀中的A₀，B₀，D₀坐标；

步骤b：计算与首展网格单元ΔA₀B₀D₀四周的任一个邻接网格单元ΔB₀C₀D₀展开为网格单元ΔBCD的节点C坐标：

若ΔB₀C₀D₀的单位法向量与首单元单位法向量一致且节点C的z坐标z_c＝0，则C点坐标与C₀点坐标一致；

否则C点坐标的计算为：

$x_C=\frac{(S_{A0}-S_{B0}-S_{D0}+S_{C0})(x_A+x_B+x_D)-3x_A{S}_{A0}+3x_B{S}_{B0}+3x_D{S}_{D0}}{3S_{C0}}$

$y_C=\frac{(S_{A0}-S_{B0}-S_{D0}+S_{C0})(y_A+y_B+y_C)-3y_A{S}_{A0}+3y_B{S}_{B0}+3y_D{S}_{D0}}{3S_{C0}}$

z_C＝0

其中，S_A0和S_A为三角形单元ΔB₀C₀D₀和ΔBCD的面积，S_C0和S_C是三角形单元ΔA₀B₀D₀和ΔABD的面积，S_D0、S_B0、S_D、S_B是对四边形区域A₀B₀C₀D₀和ABCD分别作分割ΔA₀B₀C₀、ΔA₀C₀D₀和ΔABC、ΔACD后对应的面积，S_i＝S_i0/ε，i＝A，B，D，ε为设定的映射前后单元面积的变化率；

步骤c：再以步骤b得到的邻接网格单元ΔB₀C₀D₀为首展网格单元，重复步骤a～步骤b，直至得到曲面片Ω₀所有网格单元展开的网格单元坐标，构成平面片Ω₁；

步骤4：将步骤3得到的平面片Ω₁形成的展开轮廓与该制造工序中不需展开的弯边轮廓合并得到飞机框肋类钣金零件制造工件模型轮廓。

有益效果

本发明的一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法，按制造工序的需要对发生塑性变形而形成的曲面形状结构要素展开成平面，与该工序下不需展开的结构要素共同构成工件形状。本发明所述的方法面向框肋零件关键制造工序，为成形工艺和工装设计提供数据源。本发明的方法在于快速、精确计算框肋零件制造工件模型外形，满足数字化制造的需求。本发明有效地解决了飞机框肋类钣金零件数字化制造中的下料及成形工件计算问题。

附图说明

图1是框肋零件实例——飞机翼肋零件模型；

图2说明了实例零件制造过程的部分工艺节点；

图3是实例零件曲面网格Ω₀；

图4是实例零件部分曲面片网格；

图5是展开后的部分平面片网格；

图6是腹板、减轻孔和弯边展开后形成的平面网格；

图7下料工序的工件模型轮廓；

图8是零件的下料工序的工件模型；

1-腹板，2-下陷，3-弯边，4-长衍缺口，5-弯边圆角，6-弯边减轻孔，7-工艺孔，8-腹板与弯边交线，

A-下料，B-铣切、钻孔，C-冲裁，D-橡皮囊液压成形，

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

框肋零件制造工件制造模型设计的实质是把发生塑性变形而形成的曲面形状的结构要素展开成平面。框肋零件各结构要素成形顺序不同，成形过程各工序对应各结构要素的演变。如图2所示，框肋零件的平面腹板不发生塑性变形，与腹板邻接的弯边和减轻孔等结构要素通过板料塑性成形，为小变形。由框肋零件的结构特点决定了其结构要素展开方法与把零件外形曲面全部发生塑性变形而作为一个整体进行展开的方法不同，必须考虑结构要素之间的约束关系。

第一步，设零件腹板面为XY平面。抽取零件的中性面，将框肋零件的腹板、减轻孔、加强窝、加强槽、弯边、下陷等结构要素划分成有限元网格，网格类型为平面三角单元，三角形单元的最大边长应小于零件最小弯边高度的百分之二十，给每个网格单元赋予编号，得到网格结构和单元节点坐标信息。

第二步，根据零件结构特点及其制造工序确定待展开的弯边，并计算腹板及待展开弯边的单元法向量。已知单元三个节点坐标为：A(x_A0，y_A0，z_A0)，B(x_B0，y_B0，z_B0)，C(x_C0，y_C0，z_C0)，在向量空间中，该三角形单元的单位法向量等于任意两条边向量的叉乘除以向量的模，方向垂直于这两个向量构成的平面并遵循右手定则。

$\stackrel{\→}{p}=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x_{B0}-x_{A0}& y_{B0}-y_{A0}& z_{B0}-z_{A0}\\ x_{C0}-x_{A0}& y_{C0}-y_{A0}& z_{C0}-z_{A0}\end{array}\right|$

$M=\left|\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ x_{B0}-x_{A0}& y_{B0}-y_{A0}& z_{B0}-z_{A0}\\ x_{C0}-x_{A0}& y_{C0}-y_{A0}& z_{C0}-z_{A0}\end{array}\right|$

三角形单元的单位法向量： $\stackrel{\→}{n}=\stackrel{\→}{p}/M$

第三步，对于腹板轮廓内非腹板的减轻孔、加强窝、加强槽等结构要素，采用沿腹板平面法向量(0，0，1)向腹板平面直接投影的方法，计算展开后网格单元节点坐标。

第四步，对于待展开弯边曲面Ω₀，如图3所示，选择腹板上与弯边相邻的任一单元为首单元，将弯边上的单元向首单元所在的平面进行映射，并以此为基础向弯边上的网格递进展开其它单元，直至整张曲面展开形成平面Ω₁，如图4所示。

采用带约束的基于单元等变形的曲面展开算法计算网格单元展开后形状。Ω₀中展开首单元为ΔA₀B₀D₀，四周的一个邻接单元为ΔB₀C₀D₀，对应在Ω₁中的单元ΔABD及ΔBCD，已知坐标分别为：A₀(x_A0，y_A0)，B₀(x_B0，y_B0)，C₀(x_C0，y_C0)，D₀(x_D0，y_D0)，求解节点A、B、C、D的坐标方法为：

(1)首单元展开后节点坐标计算：首单元节点坐标沿腹板法向量方向直接投影的方法计算展开后节点A、B、D的坐标A(x_A，y_A)、B(x_B，y_B)、D(x_D，y_D)。

(2)邻接单元展开后节点坐标计算：根据ΔB₀C₀D₀的单元法向量

与首单元单位法向量(0，0，1)的一致性计算节点C的坐标。

①若二者一致，则沿法向量方向直接投影至腹板平面，则C点坐标为：

x_c＝x_c0

y_c＝y_c0

z_c＝0

②若二者不一致，按下列公式计算C点坐标：

$x_C=\frac{(S_{A0}-S_{B0}-S_{D0}+S_{C0})(x_A+x_B+x_D)-3x_A{S}_{A0}+3x_B{S}_{B0}+3x_D{S}_{D0}}{3S_{C0}}$

$y_C=\frac{(S_{A0}-S_{B0}-S_{D0}+S_{C0})(y_A+y_B+y_C)-3y_A{S}_{A0}+3y_B{S}_{B0}+3y_D{S}_{D0}}{3S_{C0}}$

z_C＝0

其中，S_A0和S_A为三角形单元ΔB₀C₀D₀和ΔBCD的面积，S_C0和S_C是三角形单元ΔA₀B₀D₀和ΔABD的面积，S_D0、S_B0、S_D、S_B是对四边形区域A₀B₀C₀D₀和ABCD分别作分割ΔA₀B₀C₀、ΔA₀C₀D₀和ΔABC、ΔACD后对应的面积，S_i＝S_i0/ε，i＝A，B，D，ε为设定的映射前后单元面积的变化率。

第五步，对于该工序下不需展开的弯边，其网格单元保持不变。

第六步，将上述结构要素组合，形成一个完整的制造工件模型的轮廓，根据零件厚度建立制造工件实体模型。

现以具体的图1实例翼肋零件为例，该零件为同向弯边零件，需要设计下料工序的工件模型，零件所有弯边均需展开。结合附图，说明飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法的具体实施过程。

1.通过坐标变换将腹板面的法向量转化为(0，0，1)。用有限元方法将零件中性面划分成网格，弯边高度为18.7mm，设定网格单元尺寸即网格的边长为3.5mm，网格划分结果如图3所示。

2.计算各个网格单元的单位法向量。

3.腹板、减轻孔和弯边共同构成曲面片Ω₀。设定映射前后网格单元面积的变化率ε为1，曲面片局部放大如图4所示，选取腹板上1396号网格单元为首展网格单元；计算与网格单元ΔA₀B₀D₀的邻接网格单元ΔB₀C₀D₀展开为网格单元ΔBCD的节点C坐标，递进计算邻接网格单元展开后的节点坐标(如图5所示)，直至曲面片Ω₀所有网格单元展开的网格单元坐标，构成平面片Ω₁(如图6所示)。

4.平面片Ω₁形成的展开轮廓(如图7所示)就是实例零件下料工序的工件模型轮廓。根据零件厚度1.2mm，建立实例零件下料工序的制造工件模型(如图8所示)。

Claims (1)

1.一种飞机框肋类钣金零件制造工件模型设计方法，其特征在于按制造工序的需要对发生塑性变形而形成的曲面形状结构要素展开成平面，与该工序下不需展开的结构要素共同构成工件形状，具体步骤如下：

步骤1：将腹板平面变换零件至三维坐标系中的XY平面，采用有限元方法将零件中性面划分成网格，赋予每个网格单元不同的编号；所述的网格单元为三角单元，边长小于零件最小弯边高度的百分之二十；

步骤2：根据每个网格单元的三个节点坐标，将任意两条边向量的叉乘除以向量的模，得到网格单元的单位法向量所述两条边向量的叉乘遵循右手定则；

步骤3：将腹板的网格与腹板轮廓内通过塑性变形而形成的减轻孔、加强窝和加强槽非腹板结构要素的网格、制造工序中待展开弯边的网格共同构成曲面片Ω₀，展开形成平面片Ω₁，具体步骤为；

步骤a：以腹板上任一网格单元ΔA₀B₀D₀为首展网格单元，将首展网格单元展开为网格单元ΔABD，网格单元ΔABD的节点A，B，D坐标等于首展网格单元ΔA₀B₀D₀中的A₀，B₀，D₀坐标；

步骤b：邻接单元展开后节点坐标计算：根据ΔB₀C₀D₀的单元法向量

与首单元单位法向量(0，0，1)的一致性计算节点C的坐标，

若二者一致，则沿法向量方向直接投影至腹板平面，则C点坐标为：

x_c＝x_c0

y_c＝y_c0

z_c＝0

否则C点坐标的计算为：

$x_C=\frac{(S_{A0}-S_{B0}-S_{D0}+S_{C0})(x_A+x_B+x_D)-{3x}_A{S}_{A0}+{3x}_B{S}_{B0}+{3x}_D{S}_{D0}}{{3S}_{C0}}$

$y_C=\frac{(S_{A0}-S_{B0}-S_{D0}+S_{C0})(y_A+y_B+y_C)-{3y}_A{S}_{A0}+{3y}_B{S}_{B0}+{3y}_D{S}_{D0}}{{3S}_{C0}}$

z_C＝0.

其中，S_A0和S_A为三角形单元ΔB₀C₀D₀和ΔBCD的面积，S_C0和S_C是三角形单元ΔA₀B₀D₀和ΔABD的面积，S_D0、S_B0、S_D、S_B是对四边形区域A₀B₀C₀D₀和ABCD分别作分割ΔA₀B₀C₀、ΔA₀C₀D₀和ΔABC、ΔACD后对应的面积，S_i＝S_i0/ε，i＝A，B，D，ε为设定的映射前后单元面积的变化率；

步骤c：再以步骤b得到的邻接网格单元ΔB₀C₀D₀为首展网格单元，重复步骤a～步骤b，直至得到曲面片Ω₀所有网格单元展开的网格单元坐标，构成平面片Ω₁；

步骤4：将步骤3得到的平面片Ω₁形成的展开轮廓与该制造工序中不需展开的弯边轮廓合并得到飞机框肋类钣金零件制造工件模型轮廓。

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