CN108089457B - 一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在线有限元仿真的过程控制方法，通过采集加工过程中的特征参数，调取历史仿真数据，实现对加工过程的实时仿真，生产者可以依据仿真结果，对下一工序的工艺参数进行调整与控制。本发明可定量评估多工序加工的产品质量特性，即使对于传统测量方法难以测量的物理量，也可以给出对应加工条件下所得的数值，根据具体数值进行定量分析后，得出更为精确具体的加工过程修改方案，同时根据建立的不同加工状态下工件加工结果的数据库，结合实际加工过程中所监测到的加工状态，调用数据库中的数据，辅助仿真，从而极大地减少仿真所需要的时间，达到评估加工结果，辅助控制工艺过程的作用。

Description

一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法

技术领域

本发明涉及机械工业技术领域，更具体的说是涉及一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法。

背景技术

有限元仿真利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

目前的有限元仿真计算时间较长，尤其是对于发生较大形变的过程，计算时间可能会长达几十小时。因此，有限元方法仅仅能够作为离线的计算方法，无法对加工过程进行在线的实时仿真，而对于一些物理量，如残余应力，会对工件的使用产生较大的影响，使用传统的检测方法无法监测得到结果，需要利用仿真的方法来进行评价。

因此能够快速根据实际收集到的数据，对工件加工过程进行仿真的有限元方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用历史仿真数据，对应实际采集到的加工环境等参数，对加工过程进行实时在线仿真的方法，极大地减少仿真所需要的时间，达到评估加工结果，辅助控制工艺过程的作用。

一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1根据经验确定影响工件使用质量的物理特征，确定历史特征参数，并且对加工工件的历史使用情况进行分析，明确工件加工过程中出现的加工条件，例如：对于壳体，工件中的残余应力极大地影响着工件使用过程的属性，而残余应力难以用传统监测方式给出，根据加工过程中，对工件质量有重要影响的参数，选择决定工件最终质量、影响产品最终工作特性或者波动比较大的参数作为考察的历史特征参数，并且确定历史特征参数的取值范围为(a， b)；在历史特征参数取值范围内，根据传感器分辨率、采样频率等约束，并考虑对该工件仿真对精确度等需求，取历史特征参数的m个数值，假设其数值为q_i其中i＝1、2、3…m，明确工件加工过程中主要出现的m个加工条件；

S2将工件加工过程中主要出现的m种不同的加工条件作为加工仿真的边界条件，分别对对加工过程进行仿真，从而获得加工结束后的工件状态数据，通过比较历史仿真数据和实际加工结束后的工件状态数据，对仿真模型进行矫正，分别获得与实际相吻合的对应不同加工状态下的m个仿真结果；

S3建立仿真结果的索引，对仿真结果进行分区域处理，每个仿真结果采取相同的分块方式，假设分别分出n个材料块，每个材料块根据仿真的加工状态不同和空间位置作为索引；

S4搭建针对实际特征参数的监控系统，监测实际加工过程中所述实际特征参数的变化以及分布情况，将其实时传输到计算机仿真系统中；

S5根据实际加工过程中采集到的特征参数值以及加工的空间位置，对比调取历史仿真中对应区域、对应特征参数下的区域块，将调取的区域块放置在仿真系统对应于实际加工的空间位置中。例如，在加工(x_i，y_i，z_i)时，实际特征参数值q_j，则调取q_j下(x_i，y_i，z_i)处的材料块，将调取材料块的数据放置在仿真系统的(x_i，y_i，z_i)处；相邻区域块的相邻面上的节点通过设置边界条件的方法，确保弥合相邻面之间因形变不同带来的空隙；

S6建立新的有限元模型，进行材料块的调用和空间位置放置时，对相邻两个材料块相邻面上对应节点的距离进行判断，换算成为材料对应区域的应变值，如果应变大于使材料发生塑形形变的值时，发出告警；

S7进行整体有限元仿真，仿真模型中工件的每一个区域都赋予了实际特征参数下对应的历史仿真数据，最后对工件整体进行有限元仿真，在确定整体静力平衡的同时，得到该工序结束之后较为精确的工件的状态数据(包括残余应力、形变量等)；

S8在S7中得到的仿真结果上，根据得到的工作状态，有针对性的对下一步加工参数进行调整和改进，消除上一步加工产生的异常形变，从而实现对加工过程的有效控制。

本发明可定量评估多工序加工的产品质量特性，即使对于传统测量方法难以测量的物理量，也可以给出对应加工条件下所得的数值，根据具体数值进行定量分析后，得出更为精确具体的加工过程修改方案，同时根据建立的不同加工状态下工件加工结果的数据库，结合实际加工过程中所监测到的加工状态，调用数据库中的数据，辅助仿真，从而极大地减少仿真所需要的时间，达到评估加工结果，辅助控制工艺过程的作用。

优选的，在所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法中，步骤S2中将工件加工过程中出现的所述加工条件作为加工仿真的边界条件，分别对加工过程进行仿真，从而获得加工结束后的工件状态数据，通过比较仿真数据和实际加工结束后的工件状态数据，对仿真模型进行矫正，分别获得与实际相吻合的对应不同加工状态下的仿真结果，创建历史仿真数据。

本发明根据建立的不同加工状态下工件加工结果的历史仿真数据，结合实际加工过程中所监测到的加工状态，调用历史仿真数据，辅助仿真，从而极大地减少仿真所需要的时间，达到评估加工结果，辅助控制工艺过程的作用。

优选的，在所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法中，步骤S3中所述索引为将所述仿真结果进行分区域处理，得到材料块，每个材料块根据历史仿真数据作为索引，并对每一材料块的表面进行编号，分别将每一个分块区域中的历史仿真数据以及编号进行存储。

本发明将仿真结果进行分区域处理，并对每一材料块的表面进行编号，分别将每一个分块区域中的历史仿真数据以及编号进行存储，为后续的拼接做准备。

优选的，在所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法中，步骤S5中所述拼接根据采集到的所述实际特征参数值，调取对应区域的材料块，最终拼接在一起，得到工序结束后工件的状态情况。

本发明相邻区域块的相邻面上的节点通过设置边界条件的方法，确保弥合相邻面之间因形变不同带来的空隙。

优选的，在所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法中，所述分区域处理根据传感器对特征参数监测的分辨率大小以及采样频率，确定数据区域大小，对仿真结果进行区域的划分和分块，得到材料块。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，不仅可定量评估多工序加工的产品质量特性，即使对于传统测量方法难以测量的物理量，也可以给出对应加工条件下所得的数值，根据具体数值进行定量分析后，得出更为精确具体的加工过程修改方案，而且根据建立的不同加工状态下工件加工结果的数据库，结合实际加工过程中所监测到的加工状态，调用数据库中的数据，辅助仿真，从而极大地减少仿真所需要的时间，达到评估加工结果，辅助控制工艺过程的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的设计流程图；

图2附图为本发明的流程图；

图3附图为本发明实施例流程图；

图4附图为本发明创建历史仿真数据流程图；

图5附图为本发明实施例材料快拼接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供了一种基于在线有限元仿真的过程控制方法，对利用旋压工艺加工罐状壳体的过程进行了质量控制。已知铝合金壳体加工为多道次加热强旋工艺，使壳体逐步变形。该工件加热过程由人工控制，主要依赖经验，由于壳体尺寸较大，因此加工过程中工件的温度分布难以达到均匀，而温度的高低决定了金属的流动性，加工过程中的金属变形能力和流动性的不均匀，最终导致了材料出现异常形变如：减薄、鼓包等缺陷，这样使得产品的废品率较高，同时在加工的成品中，如果存在较大的残余应力，在工件的贮存和使用中，随着残余应力的释放，会发生产品形变，影响产品使用。本发明提供的基于在线有限元仿真的过程控制方法，可以在旋压过程中给出工件残余应力、形变情况等状态信息的仿真结果，减少由于人为因素引起的工件质量问题，从而起到协助控制加工过程，减少废品率的作用。

需要了解的是：加工的工件属于壳体类工件，有着不易变形，回弹量大的特点，在加工过程中需要利用多道次加热强旋工艺进行加工，然而因为温度由人工控制等原因导致该工件旋压过后的废品率较高，而且由于残余应力的释放，导致工件发生变形。因此，对于该壳体工件而言，合理控制工件形变和残余应力，就成为亟待解决的问题。

S1：对该工件加工过程进行分析发现，旋压加工过程的旋轮进给和工件旋转等操作是由数控机床控制，工艺参数的波动很小，而对工件的加热通过喷射火焰进行加热。其中，火焰的大小、与工件的距离等人为控制的因素均会影响工件的受热情况，从而导致工件温度不均匀，使工件形变能力不均匀，最终导致缺陷。因此，选择温度作为考察和监控的特征参数。本方法通过监测温度，给出加工过程中工件的形变情况以及工序结束后残余应力等无法监测的物理特性，而该产品加工时的温度主要分布在200℃到340℃之间，根据铝合金的材料塑性形变随温度的变化曲线，可以认为在10℃的范围内，金属性能变化较小，因此以10℃作为间隔，一共选取15组参数。

S2：对加工过程进行有限元的前处理，添加合适的接触条件、材料属性、边界条件等。在其他条件不变的前提下，对不同温度下对加工过程进行仿真，分别得到15种加工结果，即ω₁，ω₂，ω₃，...，ω₁₅。，再对这15种加工结果使用同样方法分成n个互不重叠的块，即

且

同时要满足任意v_a，j与δ_b，j代表相同的几何区域(i＝1，2，3，...，15)。。

S3：分别对15组仿真结果进行分区域处理。对仿真结果进行分块，由于旋轮与工件接触的径向范围约为5cm，在一个热像仪采样周期内，工件相对旋轮旋转了6°，因此选取半径间隔为5cm，夹角为6°的扇环几何体内的单元作为一个材料块，对分得的材料块的六个表面进行处理，分别对扇环的六个面进行编号，为后续的拼接做准备，最后将仿真的分块和编号处理结果以加工温度为标签进行储存，构建关于温度和几何区域为索引的数据库。

S4：对实际加工过程中工件的温度进行监测，例如在加工编号为j的区域δ.，j时温度为t，且t与δ_i，j最为接近，则调取δ_i，j的数据放置在δ.，j的空间区域上，实时得到旋轮与工件接触部位的温度大小，以及此时旋轮相对工件坐标的半径与夹角位置。

S5：建立新的有限元模型，在储存的历史仿真数据库中，调取此温度下，与实际加工半径相同的材料块，将它放置在与实际加工位置吻合的有限元模型的对应位置中。由于各个区域的形变情况不同，不同材料块的相邻面之间一定会有间隙，为了确保材料的连续性，将材料块之间进行弥合。具体地，在旋压结束之后，所有的区域上都被放置了对应温度下的加工结果，由于不同加工温度下材料变形情况不同，如果相邻两个区域的加工温度不同，那么这两个区域的相邻边界必定不是完全重合的，会出现重叠或者间隙，这与材料的连续性是相悖的，将所有相互临近的区域设定边界条件，使得对应的节点发生位移以重合，确保材料是连续并且没有重叠。

S6：根据铝合金的材料特性，将应变大于发生塑性形变的应变力，换算为单个节点的位移为a。此时可认为该处材料受到了强烈的撕扯，可能会造成异常变形甚至裂纹的出现。故在材料块的调用时一旦出现两个单元节点距离大于等于2a时，将会发出告警，提醒工人注意加工参数的控制。

S7：在该次旋压结束后，将会得到一个完整的工件有限元仿真模型，将此模型提交分析，在静力学的条件下进行仿真运算，迅速得到工件在此次旋压结束后的状态。

S8：在仿真结果的数据基础上，工人可以根据得到的残余应力、形变情况等数据，有针对性地对下一道次的加工进行优化调整，从而降低产品废品率。如果出现过于严重的问题如：裂纹、断裂等，可以在这一工序结束后之间进行报废处理，以降低废品的代价。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1确定历史特征参数，并且对加工工件的历史使用情况进行分析，明确工件加工过程中出现的加工条件；根据加工过程中，选择决定工件最终质量、影响产品最终工作特性或者波动大的参数作为考察的历史特征参数，并且确定历史特征参数的取值范围为(a，b)；在历史特征参数取值范围内，根据传感器分辨率、采样频率等约束，并考虑对该工件仿真对精确度需求，取历史特征参数的m个数值，假设其数值为q_i其中i＝1、2、3…m，明确工件加工过程中主要出现的m个加工条件；

S2创建历史仿真数据：

将工件加工过程中主要出现的m种不同的加工条件作为加工仿真的边界条件，分别对对加工过程进行仿真，从而获得加工结束后的工件状态数据，通过比较历史仿真数据和实际加工结束后的工件状态数据，对仿真模型进行矫正，分别获得与实际相吻合的对应不同加工状态下的m个仿真结果；

S3建立仿真结果的索引；对仿真结果进行分区域处理，每个仿真结果采取相同的分块方式，假设分别分出n个材料块，每个材料块根据仿真的加工状态不同和空间位置作为索引；

S4搭建实际特征参数的监控系统：

监测实际加工过程中实际特征参数的变化及加工的空间位置，并实时传输到计算机仿真系统中；

S5调取历史仿真数据，并拼接材料块：

根据实际加工过程中采集到的特征参数值以及加工的空间位置，对比调取历史仿真中对应区域、对应特征参数下的区域块，将调取的区域块放置在仿真系统对应于实际加工的空间位置中；相邻区域块的相邻面上的节点通过设置边界条件的方法，确保弥合相邻面之间因形变不同带来的空隙；S6实时控制：进行材料块的调用和空间位置放置时，对相邻两个材料块相邻面上对应节点的距离进行判断，换算成为材料对应区域的应变值，如果应变大于使材料发生塑形形变的值时，发出告警；

S7进行整体有限元仿真；

S8调整加工参数，优化加工过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，步骤S1中所述历史特征参数为影响工件使用情况的物理特征。

3.根据权利要求1所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，步骤S2中将工件加工过程中出现的所述加工条件作为加工仿真的边界条件，分别对加工过程进行仿真，从而获得加工结束后的工件状态数据，通过比较仿真数据和实际加工结束后的工件状态数据，对仿真模型进行矫正，分别获得与实际相吻合的对应不同加工状态下的仿真结果，创建历史仿真数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，步骤S3中所述索引为将所述仿真结果进行分区域处理，得到材料块，每个材料块根据历史仿真数据作为索引，并对每一材料块的表面进行编号，分别将每一个分块区域中的历史仿真数据以及编号进行存储。

5.根据权利要求1所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，步骤S5中所述拼接根据采集到的所述实际特征参数值，调取对应区域的材料块，最终拼接在一起，得到工序结束后工件的状态情况。

6.根据权利要求4所述的一种基于在线有限元仿真的过程质量控制方法，其特征在于，所述分区域处理根据传感器对特征参数监测的分辨率大小以及采样频率，确定数据区域大小，对仿真结果进行区域的划分和分块，得到材料块。

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