CN104252566B - 一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，该方法在发动机上曲轴箱体结合面的铣削加工中，合理的夹紧布局方案和夹紧力对于加工变形的控制具有重要的意义。首先对装夹的约束条件进行了探讨，其次分析了箱体加工过程的装夹工艺以及装夹载荷的计算，然后建立了发动机箱体铣削加工的有限元模型，获得箱体的装夹变形云图，最后分析了工件在不同夹紧力和布局下的加工变形，为零件加工精度的提高提供依据。

Description

一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法

技术领域

本发明属于机加工领域，尤其涉及一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法。

背景技术

薄壁零件刚性差，在加工中因受切削力、夹紧力以及切削热等因素，影响极易产生变形。因此控制加工变形是保证薄壁零件加工质量的关键。发动机箱体属于薄壁多孔类箱体零件。有生产实践证明，对于所有的复杂箱体和薄壁类零件，装夹变形都是造成加工后平面度、位置度达不到精度要求的重要原因之一，工件的加工误差20％-60％都是由装夹引起的。研究表明，装夹导致的加工误差来自三方面：a)薄壁零件刚性差，加工时装夹引起弹性变形影响表面尺寸精度和形状、位置精度；b)施加装夹过程中，装夹顺序不当或者装夹力施加不均匀，工件定位不准，定位后的工件和理想状态存在位置和角度误差；c)装夹力不足，工件在加工过程中会出现滑移和振动，导致加工误差乃至刀具和工件的损坏。缸体和缸盖是发动机的主要机加对象，在设备调试和加工过程中，由于夹具夹紧力的影响，加工尺寸会发生超差现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，旨在分析夹紧力和夹紧力布局对缸体加工精度的影响，从而为控制发动机缸体中夹具的布局和夹紧力的确定提供参考。

本发明是这样实现的，一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法包括：

步骤一、节点四面体二次单元，采用10节点四面体二次单元对发动机箱体进行有限元网格划分，10节点四面体二次单元即为在原4节点四面体单元的每一条棱边上再增加一个位于中点位置的内部节点，采用体积坐标应用Lagrange插值公式计算形状函数矩阵；

步骤二、有限元模型的建立及其结果，包括几何模型及网格划分、材料属性及接触对定义、约束定义及载荷施加；

步骤三、不同夹紧位置下装夹变形分析，包括不同夹紧位置下装夹变形分析、不同夹紧力下装夹变形分析。

进一步，有限元模型的建立及其结果，具体方法为：

第一步、几何模型及网格划分：

对发动机箱体进行有限元建模时，采用虚拟拓扑方法，对整体力学性能影响小的几何细节进行整合；

第二步、材料属性及接触对定义，将夹具和工件定义为弹性体以提高分析精度，由于箱体尺寸大，采用弹性无接触模型来进行有限元分析；

第三步、约束定义及载荷施加，限制箱体一端面的移动自由度来限制z向移动自由度，限制箱体左右两个缸面除z方向外的5个自由度；

刀具对箱体的加工过程是连续的，此处基于以下假设：刀具在某工况下其铣削力对箱体的作用是准静态，即可将连续铣削过程离散；刀具相对于铸铝合金箱体为刚性，铣削力在箱体上均匀分布；由于考虑铣削过程材料去除量相对于整个箱体体积极其小，不考虑加工过程中箱体刚度的变化；为计算方便，假设在铣削过程中，铣削力随着刀具的移动，只发生位置和方向的变化，其大小保持不变；

进一步、不同夹紧位置下装夹变形分析，具体方法为：

第一步、计算待夹紧面面积，按照夹紧力的计算方法，得到夹紧压强并保持不变，夹紧力位置分别为箱体左右两侧的缸孔上的不规则面分析不同工况下夹具对加工变形的产生的影响；

第二步、不同夹紧力下装夹变形分析，采用不同的三种装夹方案，各个方案下夹紧压强不同，铣削力保持不变，计算箱体的加工变形。

进一步，体积坐标的定义方式如下：对于给定的四面体，其体内任何一点G的体积坐标：

等价于

L_i＝h_i/H_i

其中，H_i为顶点i到对面的距离；h_i为G点到i点对应面的距离；体积Gjmp为四面体Gjmp的体积值；Δ为给定四面体的体积；

10节点四面体单元共有30个节点位移自由度(DOF)，其节点位移列阵为：

由于该单元有4个角节点，在每个棱边上的中点有一个中间节点(共6个)，总共10个节点，由函数构造的Pascal三角形，取单元位移场模式为

u(x，y，x)＝a₁+a₂x+a₃y+a₄z+a₅xy+a₆yz+a₇xz+a₈x²+a₉y²+a₁₀z²

以自然坐标表示，那么单位位移场模式为：

u(x，y，z)＝a′₁L₁+a′₂L₂+a′₃L₃+a′₄L₄+a′₅L₁L₂+a′₆L₂L₃

+a′₇L₃L₄+a′₈L₁L₃+a′₉L₁L₄+a′₁₀L₂L₄

＝N₁u₁+N₂u₂+N₃u₃+…+N₁₀u₁₀

对于角节点，相应的形状函数为：

N_i＝(2L_i-1)L_i(i＝1，2，3，4)

对于棱边上的中间节点，相应的形状函数为

N₅＝4L₁L₂，N6＝4L_aL₂，N₇＝4L₁L₃

N₈＝4L₁L₄，N₉＝4L₂L₄，N₁₀＝4L₃L₄

得到形状函数后，按照有限元分析的标准过程即可推得相应的几何矩阵、刚度矩阵、节点等效载荷矩阵以及刚度方程。

效果汇总

本发明在发动机上曲轴箱体结合面的铣削加工中，合理的夹紧布局方案和夹紧力对于加工变形的控制具有重要的意义。首先对装夹的约束条件进行了探讨，其次分析了箱体加工过程的装夹工艺以及装夹载荷的计算，然后建立了发动机箱体铣削加工的有限元模型，获得箱体的装夹变形云图，最后分析了工件在不同夹紧力和布局下的加工变形，为零件加工精度的提高提供依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的节点四面体二次单元的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是这样实现的，一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法包括：

步骤一、节点四面体二次单元，采用10节点四面体二次单元对发动机箱体进行有限元网格划分，10节点四面体二次单元即为在原4节点四面体单元的每一条棱边上再增加一个位于中点位置的内部节点，如图1所示，采用体积坐标应用Lagrange插值公式计算形状函数矩阵，图中4个角节点上的坐标是基于体积坐标下的坐标值；

体积坐标的定义方式如下：对于给定的四面体，其体内任何一点G的体积坐标：

等价于

L_i＝h_i/H_i

其中，H_i为顶点i到对面的距离；h_i为G点到i点对应面的距离；体积qmp为四面体qmp的体积值；△为给定四面体的体积；

10节点四面体单元共有30个节点位移自由度(DOF)，其节点位移列阵为：

由于该单元有4个角节点，在每个棱边上的中点有一个中间节点(共6个)，总共10个节点，由函数构造的Pascal三角形，取单元位移场模式为

u(x，y，z)＝a₁+a₂x+a₃y+a₄z+a₅xy+a₆yz+a₇xz+a₈x²+a₉y²+a₁₀z²

以自然坐标表示，那么单位位移场模式为：

u(x，y，z)＝a′₁L₁+a′₂L₂+a′₃L₃+a′₄L₄+a′₅L₁L₂+a′₆L₂L₃

+a′7L₃L₄+a′₈L₁L₃+a′₉L₁L₄+a′₁₀L₂L₄

＝N₁u₁+N₂u₂+N₃u₃+…+N₁₀u₁₀

对于角节点，相应的形状函数为：

N_i＝(2L_i-1)L_i(i＝1，2，3，4)

对于棱边上的中间节点，相应的形状函数为

N₅＝4L₁L₂，N₆＝4L₁L₂，N₇＝4L₁L₃

N₈＝4L₁L₄，N₉＝4L₂L₄，N₁₀＝4L₃L₄

得到形状函数后，按照有限元分析的标准过程即可推得相应的几何矩阵、刚度矩阵、节点等效载荷矩阵以及刚度方程；

步骤二、有限元模型的建立及其结果，具体方法为：

第一步、几何模型及网格划分：

对发动机箱体进行有限元建模时，采用虚拟拓扑方法，对整体力学性能影响小的几何细节进行整合；

第二步、材料属性及接触对定义，将夹具和工件定义为弹性体以提高分析精度，由于箱体尺寸大，采用弹性无接触模型来进行有限元分析；

有限元模型中，箱体与V型夹具都定义为弹性体，箱体的材料为铸铝合金ZL702A，弹性模量为70Gpa，泊松比为0.33，密度为2.7×10³kg/m³，V型夹具材料为合金钢，弹性模型为210Gpa，泊松比为0.3。箱体和夹具均采用10节点四面体二次单元C3D10，其中V型夹具有82657个单元，1个警告单元(0.0012098％)；箱体有382194个单元，2212个警告单元(0.5787％)。

第三步、约束定义及载荷施加，箱体具备6个自由度，其中5个自由度通过与V型夹具接触被限制住，余下为z方向的移动自由度，实际上它并不影响结合面的加工，但是为了有限元计算有解，限制箱体一端面的移动自由度来限制z向移动自由度，限制箱体左右两个缸面除z方向外的5个自由度。

刀具对箱体的加工过程是连续的，此处基于以下假设：刀具在某工况下其铣削力对箱体的作用是准静态，即可将连续铣削过程离散；刀具相对于铸铝合金箱体为刚性，铣削力在箱体上均匀分布；由于考虑铣削过程材料去除量相对于整个箱体体积极其小，不考虑加工过程中箱体刚度的变化；为计算方便，假设在铣削过程中，铣削力随着刀具的移动，只发生位置和方向的变化，其大小保持不变；

施加铣削力预测值中的最大值到有限元模型中并保持恒定，在X方向施加66N载荷，在Y方向上施加156.75N载荷，在Z方向上施加90.75N载荷。铣削力可施加在结合面的中间和两端位置。

步骤三、不同夹紧位置下装夹变形分析，具体方法为：

第一步、计算待夹紧面面积(计算结果为：2127.036mm2)，按照夹紧力的计算方法，得到夹紧压强为4MPa并保持不变，夹紧力位置分别为箱体左右两侧的缸孔上的不规则面，分析不同工况下夹具对加工变形的产生的影响；

采用方案1进行装夹时，计算箱体在不同铣削力作用下的加工变形，结果，当铣削力施加于加工面右下端时最大变形量为22.3μm，当铣削力施加于加工面中间位置时其最大变形量为6.2μm，当铣削力施加于加工面右上端位置时其最大变形量为9.0μm。

改变夹紧力布局，计算得到工件加工表面不同的加工变形量，见表1。

由表可知，当铣削力位于加工面右侧中间位置时，加工变形量最小，当铣削力位于右侧下端位置时，加工变形量最大，右上端其次。在铣削力和装夹不变情况下，加工变形量随着加工位置的改变而变化。

表1不同装夹位置下的加工变形

在加工位置不变的情况下，随着夹紧位置的变化，加工变形量也发生着变化。加工面右下端处的变形量随着夹紧位置的变化先变大后减少，中间位置处变形量先减小后增大，右上端处变形量先增大后减少。根据计算结果，方案1在右下端及右上端处，相比另外两个方案变形量小，因此，方案1的装夹方案最优。

第二步、不同夹紧力下装夹变形分析，采用不同的三种装夹方案，各个方案下夹紧压强分别取3、4、5、6MPa，铣削力保持不变，计算箱体的加工变形，结果见表2-表4，分析表中数据，可得：当夹紧布局方案不变的情况下，当铣削力位于右下端和右上端时，工件的加工变形随着夹紧力的增加而减小。除了方案3外，当铣削力位于右中间时，加工变形量也随夹紧力增加而减小。统计各个工况变形量最小时对应的方案，得到装夹布局方案1最好，方案2其次，方案3不好。另外，方案1在6MPa夹紧载荷下，工件变形量最小。

表2方案1下工件加工变形

表3方案1下工件加工变形

表4方案1下工件加工变形

本发明在发动机上曲轴箱体结合面的铣削加工中，合理的夹紧布局方案和夹紧力对于加工变形的控制具有重要的意义。首先对装夹的约束条件进行了探讨，其次分析了箱体加工过程的装夹工艺以及装夹载荷的计算，然后建立了发动机箱体铣削加工的有限元模型，获得箱体的装夹变形云图，最后分析了工件在不同夹紧力和布局下的加工变形，为零件加工精度的提高提供依据。仿真结果表明：夹紧位置选择两端四缸孔方案最佳(方案1)，夹紧载荷为6MPa时，加工变形量最小。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，所述的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法包括：

步骤一、节点四面体二次单元，采用10节点四面体二次单元对发动机箱体进行有限元网格划分，10节点四面体二次单元即为在原4节点四面体单元的每一条棱边上再增加一个位于中点位置的内部节点，采用体积坐标应用Lagrange插值公式计算形状函数矩阵；

步骤二、有限元模型的建立及结果，包括几何模型及网格划分、材料属性及接触对定义、约束定义及载荷施加；

步骤三、不同夹紧位置下装夹变形分析，包括不同夹紧位置下装夹变形分析、不同夹紧力下装夹变形分析；

体积坐标的定义方式如下：对于给定的四面体，体内任何一点G的体积坐标：

等价于

L_i＝h_i/H_i

其中，H_i为顶点i到对面的距离；h_i为G点到i点对应面的距离；体积Gjmp为四面体Gjmp的体积值；Δ为给定四面体的体积；

10节点四面体单元共有30个节点位移自由度，节点位移列阵为：

<mrow> <munder> <msup> <mrow> <mo>{</mo> <mi>q</mi> <mo>}</mo> </mrow> <mi>e</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>30</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </munder> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>u</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>w</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>u</mi> <mn>10</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>v</mi> <mn>10</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>w</mi> <mn>10</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> </mrow>

由于单元有4个角节点，在每个棱边上的中点有一个中间节点，共6个，总共10个节点，由函数构造的Pascal三角形，取单元位移场模式为：

u(x，y，z)＝a₁+a₂x+a₃y+a₄z+a₅xy+a₆yz+a₇xz+a₈x²+a₉y²+a₁₀z²

以自然坐标表示，那么单位位移场模式为：

u(x，y，z)＝a′₁L₁+a′₂L₂+a′₃L₃+a′₄L₄+a′₅L₁L₂+a′₆L₂L₃

+a′₇L₃L₄+a′₈L₁L₃+a′₉L₁L₄+a′₁₀L₂L₄

＝N₁u₁+N₂u₂+N₃u₃+…+N₁₀u₁₀

对于角节点，相应的形状函数为：

N_i＝(2L_i-1)L_i

i＝1，2，3，4，对于棱边上的中间节点，相应的形状函数为：

N₅＝4L₁L₂， N₆＝4L₁L₂， N₇＝4L₁L₃

N₈＝4L₁L₄， N₉＝4L₂L₄， N₁₀＝4L₃L₄

得到形状函数后，按照有限元分析的标准过程即推得相应的几何矩阵、刚度矩阵、节点等效载荷矩阵以及刚度方程。

2.如权利要求1所述的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，有限元模型的建立及结果，具体方法为：

第一步、几何模型及网格划分：

对发动机箱体进行有限元建模时，采用虚拟拓扑方法，对整体力学性能影响小的几何细节进行整合；

第二步、材料属性及接触对定义，将夹具和工件定义为弹性体以提高分析精度，由于箱体尺寸大，采用弹性无接触模型来进行有限元分析；

第三步、约束定义及载荷施加，限制箱体一端面的移动自由度来限制z向移动自由度，限制箱体左右两个缸面除z方向外的5个自由度；

刀具对箱体的加工过程是连续的，刀具在某工况下其铣削力对箱体的作用是准静态，即将连续铣削过程离散；刀具相对于铸铝合金箱体为刚性，铣削力在箱体上均匀分布；由于考虑铣削过程材料去除量相对于整个箱体体积极其小，不考虑加工过程中箱体刚度的变化；在铣削过程中，铣削力随着刀具的移动，只发生位置和方向的变化，大小保持不变。

3.如权利要求1所述的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，不同夹紧位置下装夹变形分析，具体方法为：

第一步、计算待夹紧面面积，按照夹紧力的计算方法，得到夹紧压强并保持不变，夹紧力位置分别为箱体左右两侧的缸孔上的不规则面，分析不同工况下夹具对加工变形的产生的影响；

第二步、不同夹紧力下装夹变形分析，采用不同的三种装夹方案，各个方案下夹紧压强不同，铣削力保持不变，计算箱体的加工变形。