CN105046031A - 一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法 - Google Patents

Abstract

一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，涉及预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的技术，属于机械加工领域。它为了解决现有技术对铝合金薄壁构件的整个机加工过程进行模拟的计算量很大的问题，测试坯材的残余应力和铝合金薄壁构件机加工的表层残余应力，用等效表层残余应力的分布代替表层残余应力的分布，将坯材的残余应力输入到ABAQUS有限元软件，去除机加工过程中需要去除的部位，将等效表层残余应力施加到ABAQUS分析模型，计算由于坯材的残余应力释放和机加工表层残余应力共同作用下的铝合金薄壁构件形变量，从而可以预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量。本发明可用于预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量。

Description

一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法

技术领域

本发明涉及预测铝合金薄壁构件机加工变形的技术，属于机械加工领域。

背景技术

随着航空、航天技术的发展，航空航天已成为高精尖技术密集的行业。铝合金薄壁或框架类整体构件被越来越广泛的应用于航空航天、武器装备、精密仪器等行业，零件精度的要求也不断提高。铝合金薄壁构件受坯材残余应力以及机加工残余应力影响，易产生很大的加工变形，加工变形是航空航天结构件制造技术所面对的最突出问题之一。随着计算机技术的发展，利用计算机计算铝合金薄壁构件加工过程中的变形成为目前科研技术开发和研究的重要途径，但由于机加工过程复杂，很难通过对铝合金薄壁构件的整个机加工过程进行模拟的方式来预测机加工产生的形变量，且计算量很大。

发明内容

本发明是为了解决由于机加工过程复杂且计算量大，导致难以用计算机对铝合金薄壁构件的整个机加工过程进行模拟来预测机加工形变量的问题，从而提供一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法。

本发明所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用裂纹柔度法对铝合金坯材的残余应力进行测试，获取铝合金坯材的残余应力沿深度方向的分布，对所述残余应力的分布进行拟合；

步骤二：采用XRD(X射线衍射)残余应力测试法获得铝合金薄壁构件机加工的表层残余应力沿深度方向的分布，对表层残余应力的分布进行拟合；

步骤三：采用新的表层残余应力σ即等效表层残余应力的分布代替步骤二得到的拟合后的表层残余应力的分布，所述新的表层残余应力的分布与步骤二得到的拟合后的表层残余应力对中性面的弯矩相同，

等效表层残余应力的分布为：

$\mathrm{\σ}=\left\{\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}& (0\≤z\≤d)\\ 0& (z\≥d)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{{\∫}_0^d{\mathrm{\σ}}_{machine}dz}{d}---\left(2\right)$

式中的数值大小等于机加工的表层残余应力对中性面的等效作用力，σ_machine为步骤二中拟合后的表层残余应力；

步骤四：建立铝合金薄壁构件的ABAQUS有限元模型，将步骤一得到的拟合后的铝合金坯材的残余应力通过SIGINI子程序文件输入到ABAQUS有限元软件，去除机加工过程中需要去除的部位；

步骤五：将步骤三中的等效表层残余应力σ施加到ABAQUS有限元模型中，分布在层深为d的表层单元，计算由于铝合金坯材的残余应力释放和机加工表层残余应力共同作用下的构件的形变量。

上述步骤一中对残余应力分布的拟合采用拉格朗日多项式函数实现；

拉格朗日多项式函数为：

$L_i\left(z^{\′}\right)=\frac{{\left(\frac{d}{{\mathrm{dz}}^{\′}}\right)}^n\[{\left(z^{\′2}-z^{\′}\right)}^n\]}{n!},(0\≤z^{\′}\≤1,2\≤n\≤11,i=n)---\left(3\right)$

式中z'为归一化的厚度；

铝合金坯材的残余应力σ'沿厚度方向的分布拟合为：

${\mathrm{\σ}}^{\′}\left(z^{\′}\right)=\underset{i=2}{\overset{11}{\Σ}}{A}_i{L}_i\left(z^{\′}\right)---\left(4\right)$

式中A_i为拟合系数。

上述步骤二中对表层残余应力分布的拟合采用拉格朗日多项式函数实现。

上述步骤四中去除机加工过程中需要去除的部位采用生死单元法实现。

本发明所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，测试坯材的残余应力和铝合金薄壁构件机加工的表层残余应力，用等效表层残余应力的分布代替表层残余应力的分布，将坯材的残余应力输入到ABAQUS有限元软件，去除机加工过程中需要去除的部位，将等效表层残余应力σ施加到ABAQUS分析模型，计算由于坯材的残余应力释放和机加工表层残余应力共同作用下的铝合金薄壁构件的形变量，从而可以预测铝合金薄壁构件机加工的形变量，本发明可以准确预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量，很大程度的减小预测的计算量，可以针对复杂构件的变形规律进行分析，优化机加工参数，采用本方法进行预测的误差最大仅为13％。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法的原理框图。

图2是具体实施方式五中的210x100x20mm的2A14-T6铝合金坯材的残余应力及拟合的坯材的残余应力分布图。

图3为具体实施方式五中的两种铣削方式的示意图，通常构件在铣削过程中的铣削区域可分为两种，一种是侧壁的铣削，A代表侧壁区域，一种是平面区域的铣削，B代表平面区域，分别测试这两种铣削方式的表层残余应力。

图4为具体实施方式五中的A的机加工表层残余应力分布及其拟合曲线图。

图5为具体实施方式五中的B的机加工表层残余应力分布及其拟合曲线图。

图6为具体实施方式五中的预测的铝合金薄壁构件机加工变形的分布图，C代表底面。

图7为具体实施方式五中的底面机加工变形的实验结果与模拟结果的对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用裂纹柔度法对铝合金坯材的残余应力进行测试，获取铝合金坯材的残余应力沿深度方向的分布，对所述残余应力的分布进行拟合；

步骤二：采用XRD(X射线衍射)残余应力测试法获得铝合金薄壁构件机加工的表层残余应力沿深度方向的分布，对表层残余应力的分布进行拟合；

步骤三：采用新的表层残余应力σ即等效表层残余应力的分布代替步骤二得到的拟合后的表层残余应力的分布，所述新的表层残余应力的分布与步骤二得到的拟合后的表层残余应力对中性面的弯矩相同，

等效表层残余应力的分布为：

$\mathrm{\σ}=\left\{\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}& (0\≤z\≤d)\\ 0& (z\≥d)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{{\∫}_0^d{\mathrm{\σ}}_{machine}dz}{d}---\left(2\right)$

式中的数值大小等于机加工的表层残余应力对中性面的等效作用力，σ_machine为步骤二中拟合后的表层残余应力；

步骤四：建立铝合金薄壁构件的ABAQUS有限元模型，将步骤一得到的拟合后的铝合金坯材的残余应力通过SIGINI子程序文件输入到ABAQUS有限元软件，去除机加工过程中需要去除的部位；

步骤五：将步骤三中的等效表层残余应力σ施加到ABAQUS有限元模型中，分布在层深为d的表层单元，计算由于铝合金坯材的残余应力释放和机加工表层残余应力共同作用下的构件的形变量。

测试深度接近表层残余应力几乎零的深度。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中对残余应力分布的拟合采用拉格朗日多项式函数实现；

拉格朗日多项式函数为：

$L_i\left(z^{\′}\right)=\frac{{\left(\frac{d}{{\mathrm{dz}}^{\′}}\right)}^n\[{\left(z^{\′2}-z^{\′}\right)}^n\]}{n!},(0\≤z^{\′}\≤1,2\≤n\≤11,i=n)---\left(3\right)$

式中z'为归一化的厚度；

铝合金坯材的残余应力σ'沿厚度方向的分布拟合为：

${\mathrm{\σ}}^{\′}\left(z^{\′}\right)=\underset{i=2}{\overset{11}{\Σ}}{A}_i{L}_i\left(z^{\′}\right)---\left(4\right)$

式中A_i为拟合系数。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中对表层残余应力分布的拟合采用拉格朗日多项式函数实现。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四去除机加工过程中需要去除的部位采用生死单元法实现。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法的验证。

图2是采用裂纹柔度法获得的210×100×20mm的2A14-T6铝合金坯材的残余应力及拟合的坯材的残余应力分布图，将此应力作为初始残余应力施加到坯材的ABAQUS有限元模型中；图3为铣削示意图，分别测试这两种铣削方式的表层残余应力，作为构件机加工引入的表层残余应力；图4为A的机加工表层残余应力分布及其拟合曲线图，根据拟合的曲线，通过公式(2)计算A的等效表层残余应力，图5为B的机加工表层残余应力分布及其拟合曲线图，根据拟合的曲线，通过公式(2)计算B的等效表层残余应力，图6为预测的铝合金薄壁构件机加工变形的分布图，每个区域的形变量如表1所示，采用三坐标测量仪测量了底面的变形，通过测量得到的实验结果与采用本发明的方法得到的模拟结果对比图为图7，从图中可以看出，模拟结果和实验结果吻合较好，模拟结果和实验结果最大偏差为13％，横坐标中的长向代表图6中的x方向。

表1

区域	形变量(mm)
		1	0.3187
2	0.1932
		3	0.6774
4	-0.5777
		5	-0.1833
6	-0.3088
		7	-0.4343

Claims (4)

1.一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用裂纹柔度法对铝合金坯材的残余应力进行测试，获取铝合金坯材的残余应力沿深度方向的分布，对所述残余应力的分布进行拟合；

步骤二：采用XRD残余应力测试法获得铝合金薄壁构件机加工的表层残余应力沿深度方向的分布，对表层残余应力的分布进行拟合；

步骤三：采用新的表层残余应力σ即等效表层残余应力的分布代替步骤二得到的拟合后的表层残余应力的分布，所述新的表层残余应力的分布与步骤二得到的拟合后的表层残余应力对中性面的弯矩相同，

等效表层残余应力的分布为：

$\mathrm{\σ}=\left\{\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}& (0\≤z\≤d)\\ 0& (z\≥d)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=\frac{{\∫}_0^d{\mathrm{\σ}}_{machine}dz}{d}---\left(2\right)$

式中的数值大小等于机加工的表层残余应力对中性面的等效作用力，σ_machine为步骤二中拟合后的表层残余应力；

步骤四：建立铝合金薄壁构件的ABAQUS有限元模型，将步骤一得到的拟合后的铝合金坯材的残余应力通过SIGINI子程序文件输入到ABAQUS有限元软件，去除机加工过程中需要去除的部位；

步骤五：将步骤三中的等效表层残余应力σ施加到ABAQUS有限元模型中，分布在层深为d的表层单元，计算由于铝合金坯材的残余应力释放和机加工表层残余应力共同作用下的构件的形变量。

2.根据权利要求1所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，其特征在于，步骤一中，对残余应力分布的拟合采用拉格朗日多项式函数实现；

拉格朗日多项式函数为：

$L_i\left(z^{\′}\right)=\frac{{\left(\frac{d}{{\mathrm{dz}}^{\′}}\right)}^n\[{\left(z^{\′2}-z^{\′}\right)}^n\]}{n!},(0\≤z^{\′}\≤1,2\≤n\≤11,i=n)---\left(3\right)$

式中z'为归一化的厚度；

铝合金坯材的残余应力σ'沿厚度方向的分布拟合为：

${\mathrm{\σ}}^{\′}\left(z^{\′}\right)=\underset{i=2}{\overset{11}{\Σ}}{A}_i{L}_i\left(z^{\′}\right)---\left(4\right)$

式中A_i为拟合系数。

3.根据权利要求1所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，其特征在于，步骤二中，对表层残余应力分布的拟合采用拉格朗日多项式函数实现。

4.根据权利要求1所述的一种预测铝合金薄壁构件机加工产生的形变量的方法，其特征在于，步骤四中去除机加工过程中需要去除的部位采用生死单元法实现。