CN105631112A - 一种厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于厚板类零件的热变形仿真分析与建模的方法，在设定温度载荷条件下，利用有限元仿真分析方法对厚板类零件进行热变形分析，然后根据仿真分析结果建立厚板类零件的热变形快速计算模型。其特征在于，基于厚板类零件长度方向和厚度方向的热变形协调规律，通过提取长度方向上设定位置点的热变形值和中性面上厚度方向的热变形值，利用多项式拟合与多元线性回归的方法，建立中性面上厚度方向的热变形值与长度方向上设定位置点的热变形值之间的函数映射关系。本发明能够通过对厚板类零件的热变形仿真分析，实现通过长度方向设定位置点的热变形值预测中性面上厚度方向的热变形值的目的。

Description

一种厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法

技术领域

本发明涉及零件的变形仿真分析与建模领域，特别是一种适用于厚板类零件的热变形仿真分析与建模的方法。

背景技术

近年来，我国制造业的迅猛发展对零件的精度提出了越来越高的要求，人们在关注零件几何变形的同时，开始关注零件的热变形。但是目前传统的方法主要集中于对零件几何变形的分析，提出的技术方法也多针对于如何控制零件的几何变形，而针对零件热变形的分析与研究方法相对较少，因此如何对零件的热变形进行分析与建模，已成为我国制造业亟待解决的一大关键性技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供了一种厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种适用于厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法，包括厚板类零件的热变形仿真分析与热变形建模方法。

所述厚板类零件的热变形仿真分析方法是基于通用有限元分析软件Ansys进行的，，包括如下步骤：

步骤一，几何模型的简化；

步骤二，添加材料属性并进行网格划分；

步骤三，载荷的施加；

步骤四，约束的定义；

步骤五，进行有限元求解；

步骤六，提取有限元分析结果，包括在有限元分析完成后，提取厚板类零件需要建立数学模型方向的热变形结果，以及垂直于需要建立热变形数学模型方向的热变形结果。

所述步骤一，几何模型的简化，包括对厚板类零件有限元分析影响较小的结构的简化。

所述步骤三，载荷的施加，包括在厚板类零件的相同部位施加不同大小的温度载荷，以及施加零件表面的传热系数和环境温度。

所述厚板类零件的热变形建模方法，包括利用多项式拟合与多元线性回归的方法，建立关于模型热变形的数学模型。其中，首先利用多项式拟合的方法，根据提取出的厚板类零件需要建立数学模型方向的热变形结果，建立相同阶次的不同加载情况下的热变形数学模型；其次，利用多元线性回归的方法，建立提取出的垂直于需要建立热变形数学模型方向的热变形结果与第一次所建立的数学模型系数之间的函数关系。

附图说明

图1为厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法的流程示意图；

图2为一种厚板类零件的CAD模型示意图；

图中：1、模型左侧面预先选定点1；2、模型左侧面预先选定点2；3、模型左侧面预先选定点3；4、模型右侧面固定支撑；5、第一处施加温度载荷位置；6、第二处施加温度载荷位置。

图3为图2所示厚板类零件的有限元网格模型示意图；

图4为图2所示厚板类零件施加23℃以及51℃温度载荷情况下的温度场、Z向以及Y向结果云图示意图；

图中：a)施加23℃温度载荷时的温度场分布；b)施加23℃温度载荷时的Z向热变形；c)施加23℃温度载荷时的Y向热变形；d)施加51℃温度载荷时的温度场分布；e)施加51℃温度载荷时的Z向热变形；f)施加51℃温度载荷时的Y向热变形。

图5为图2所示厚板类零件所建立的Y向热变形数学模型的效果验证示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法的具体流程，包括确定厚板类零件所需建立热变形模型的方向；对厚板类零件进行有限元仿真分析；利用所述热变形仿真分析的结果，对于厚板类零件的两个相互垂直方向的热变形，通过其中一个方向的热变形仿真分析结果，利用多项式拟合及多元线性回归的方法，建立与之垂直方向热变形的数学模型。

现根据图1所示流程，对图2所示的一种厚板类零件进行热变形仿真分析与建模，步骤如下：

首先，确定图2所示的厚板类零件所需要建立热变形数学模型的方向为Y方向。

其次，进行有限元仿真分析，具体步骤如下：

步骤一，几何模型简化，去掉对有限元分析影响较小的结构；

步骤二，模型的材料属性按照QT500-7的属性，包括弹性模量1730GPa，泊松比0.3，密度7300kg/m³，热膨胀系数9.1×10^-61/K，热导率47W/(m·K)，添加完成后进行网格划分；

步骤三，载荷的施加，包括在第一处施加温度载荷位置与第二处施加温度载荷位置依次施加23℃、25℃、29℃、34℃、39℃、46℃、51℃的恒定温度载荷，并对不同的加载条件进行编号依次为“01加载条件”，“02加载条件”以此类推；施加表面传热系数10W/(m²·K)，环境温度施加为20℃；

步骤四，约束的定义，对模型右侧面固定支撑处X、Y与Z方向的自由度进行限制，图3所示为该厚板类零件的有限元网格模型；

步骤五，进行有限元求解，图4中列出了有限元分析完成后，施加23℃以及51℃温度载荷情况下的温度场、Y向以及Z向结果云图；

步骤六，提取有限元分析结果，包括对Y、Z两个相互垂直方向的热变形的提取，为了便于描述，提取图2所示的模型左侧面上预先选定的3点的Z向热变形，以及模型上表面中线的Y向热变形。

再者，根据不同加载情况下提取的Y向热变形结果，利用多项式拟合的方法建立相同阶次的零件模型上表面中线的Y向热变形数学模型，

δ_yi＝p_i·z(1)

式中p_i＝(p_i1p_i2p_i3)，i＝1,2…,7，z＝(z³z²z)^T，δ_yi为第“i个加载条件”下该厚板类零件上表面中线的Y向热变形，p_i为表达式的系数，z为坐标值；再利用多元线性回归的方法，建立提取出的预先选定的3点的Z向热变形结果与式(1)系数之间的函数关系，

p_i＝A·δ_zi+B(2)其中，δ_zi＝(δ_zi1δ_zi2δ_zi3)^T，i＝1,2…,7，δ_zi为提取出第“i个加载条件”下预先选定的3点的Z向热变形结果；联立式(1)与式(2)，最终可以得到该零件模型上表面中线的Y向热变形数学模型，

δ_y＝(A·δ_z+B)·z(3)

式中，δ_y为模型上表面中线的Y向热变形，δ_z为提取出的预先选定的3点的Z向热变形结果，z＝(z³z²z)^T，z为坐标值，A是3×3的系数矩阵，

$A=\left[\begin{array}{ccc}-5.0874\×{10}^{-9}& 6.0069\×{10}^{-9}& -8.0101\×{10}^{-10}\\ 7.8078\×{10}^{-6}& 7.6294\×{10}^{-7}& -9.1025\×{10}^{-6}\\ -1.6859\×{10}^{-3}& -4.4531\×{10}^{-4}& 2.3525\×{10}^{-3}\end{array}\right]$

B是3×1的常数向量，

B＝[1.3806×10^-10-4.6663×10^-73.8320×10^-6]^T

最后，对所建立的数学模型进行验证，按照上文有限元仿真分析步骤，在第一处及第二处载荷施加位置施加41℃的温度载荷并进行有限元分析，分析完成后将施加23℃，41℃，51℃温度载荷时提取出的预先选定的3点的Z向热变形，代入式(3)中，得到3种情况下该种厚板类模型的上表面中线Y向变形情况，并与直接从有限元分析软件中提取出的Y向变形情况进行比对，对比结果如图5所示。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种厚板类零件的热变形仿真分析与建模方法，包括如下步骤：首先在设定温度载荷条件下，利用有限元仿真分析方法对厚板类零件进行热变形分析，然后根据仿真分析结果建立厚板类零件的热变形快速计算模型，基于厚板类零件长度方向和厚度方向的热变形协调规律，通过提取长度方向上设定位置点的热变形值和中性面上厚度方向的热变形值，利用多项式拟合与多元线性回归的方法，建立中性面上厚度方向的热变形值与长度方向上设定位置点的热变形值之间的函数映射关系，从而实现通过长度方向设定位置点的热变形值预测中性面上厚度方向的热变形值的目的。