CN108133117A - 一种航空件加工变形预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空件加工变形预测方法及装置，该方法包括：接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。本发明根据毛坯材料数据和加工基本信息数据有效预测航空件加工变形。
Description
技术领域
本发明属于航空结构件加工的技术领域，涉及一种航空件加工变形预测方法及装置，尤其是涉及一种基于有限元力学分析且综合考虑毛坯建模和加工过程建模的航空件加工变形预测方法及装置。
背景技术
飞机航空结构件越来越重视整体设计，大型结构件的优点主要有：壁薄、装配省时、整体性能好等。现有航空大型结构件的加工方法与传统的加工方法相比，缩短了加工周期和装配周期，使结构件的重量减轻许多，并使结构件的强度获得了提高，从而增强了飞机的性能，不但飞行距离变得更远，负载能力也显著加强，更是延长了飞机的服役时间。但是，大型结构件也具有尺寸庞大、特征复杂、加工周期长等缺点，大型工件在加工的时候受到材料属性、残余应力、加工设备与工艺、工件温度等因素的干扰，会发生加工变形，要想达到设计要求比较艰难。
在航空制造现场，当工件从夹具上取下后，往往产生弯曲、扭曲、弯扭组合等加工变形，使零件难以达到设计要求。由于不同飞机结构件采用不同材料毛坯和不同加工方式，它们产生变形的方式与程度也不尽相同。例如，我国中航工业集团民用飞机转包合作生产中，机座舱前、后侧骨架数控加工后会发生弯曲变形；整体梁、桁架条、接头等加工后出现翘曲和扭转变形。提前进行航空结构件加工变形预测成为避免实际航空件加工过程中发生加工变形的措施。
目前，航空结构件加工变形预测基本上是以实践经验为依据，只能针对一些具体工件特定部位加工变形问题现象做出经验性描述，对其它工件没有太大的指导作用，缺乏航空结构件加工变形参数化快速预测系统及方法。
综上所述，针对现有技术中如何快速、精确地预测航空结构件加工变形的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，解决现有技术中如何快速、精确地预测航空结构件加工变形的问题，本发明提供了一种航空件加工变形预测方法及装置，根据毛坯材料数据和加工基本信息数据有效预测航空件加工变形。
本发明的第一目的是提供一种航空件加工变形预测方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种航空件加工变形预测方法，该方法包括：
接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
作为进一步的优选方案，所述毛坯材料数据包括航空件的材料属性数据和毛坯件基本尺寸信息数据。
作为进一步的优选方案，该方法还包括接收网格尺寸数据，进行网格划分，建立系统坐标。
作为进一步的优选方案，所述加工应力场通过系统坐标定义待加工工件与毛坯件的空间关系获得。
作为进一步的优选方案，所述加工基本信息数据包括主轴转速、进给量、切削参数、刀具几何参数和工作环境参数。
作为进一步的优选方案，所述得到模型仿真加工数据的具体步骤包括：
根据针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析得到的其之间的布尔逻辑关系，将需要去除的毛坯件材料部分进行分割，设定加工模拟边界条件；
设定接触类型和加工载荷，对工件模型施加加工载荷进行数值模拟计算，得到加工变形模拟数据。
作为进一步的优选方案，在所述接收预存特定工件的选择指令得到工件模型后，根据设定的加工模拟边界条件采用生死单元技术去除材料。
作为进一步的优选方案，对所述工件变形数据进行仿真处理，输出航空件加工变形预测结果图。
本发明的第二目的是提供一种计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备设备的处理器加载并执行以下处理：
接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
本发明的第三目的是提供一种终端设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：
接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的一种航空件加工变形预测方法及装置，能够使基于加工信息来进行的航空件加工变形预测的结果更加系统化和具有可靠度，给工程设计人员和企业提供更加科学合理的加工工艺，提高加工质量和效率。
2、本发明所述的一种航空件加工变形预测方法，按照该方法步骤根据毛坯材料数据和加工基本信息数据即可快速准确有效预测航空件加工变形，能够完成航空长梁件、壁板件、隔框件等航空件加工后弯曲，扭转等不同形式的变形预测，并经过实际飞机结构件结构设计制造实验验证，获得的结果具有较高的可靠度，能满足飞机设计制造要求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明中的方法流程图；
图2为本发明的航空件加工变形预测系统及方法的系统总体结构图；
图3为本发明的航空件加工变形预测系统及方法的系统封装主界面图；
图4为本发明的实施例中基于系统和方法的航空件加工变形预测结果图；
图5为本发明的航空件加工变形预测系统及方法的系统整体部署示意图。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例1的目的是提供一种航空件加工变形预测方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
如图1所示，
一种航空件加工变形预测方法，该方法包括：
步骤(1)：接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
步骤(2)：接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
步骤(3)：接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
在本实施例中一种航空件加工变形预测方法的具体方法步骤如图2所示。
步骤(1)：毛坯建模仿真7
在本实施例的步骤(1)中，所述毛坯材料数据包括航空件的材料属性数据和毛坯件基本尺寸信息数据。毛坯件基本尺寸信息数据包括毛坯厚度、毛坯长度和毛坯宽度。
在本实施例的步骤(1)中，还包括接收网格尺寸数据，进行网格划分，建立系统坐标。
在本实施例中，通过嵌入自定制程序界面，编写毛坯件建模函数脚本程序实现毛坯材料参数化建模。在毛坯参数建模框中输入毛坯件的几何尺寸和网格大小，在材料属性框中选择材料，仿真系统可自动生成仿真所需的毛坯件。并进行网格划分和建立初始应力场。
在本实施例的步骤(1)中，将获得的参数传递给脚本文件，调用子程序，通过系统坐标定义待加工工件与毛坯件的空间关系获得所述加工应力场。
步骤(2)：加工应力建模8
在本实施例的步骤(2)中，所述加工基本信息数据包括主轴转速、进给量、切削参数、刀具几何参数和工作环境参数。如图2所述，输入的所述加工基本信息数据包括主轴转速、每齿进给、切削宽度、切削深度、刀尖半径、切削前角、切削后角和刀具直径。
在该软件使用过程中，需要工程技术人员通过选择工件毛坯材料类型，并输入加工环境温度、加工基本信息数据等前处理所需的各项参数，将获得参数传递给脚本文件，调用用户子程序，完成加工应力的函数计算，生成工件表面加工残余应力。
步骤(3)：加工变形预测计算分析
在本实施例的步骤(3)中，所述得到模型仿真加工数据的具体步骤包括：
根据针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析得到的其之间的布尔逻辑关系，将需要去除的毛坯件材料部分进行分割，设定加工模拟边界条件；
设定接触类型和加工载荷，对工件模型施加加工载荷进行数值模拟计算，得到加工变形模拟数据。
具体为将所述航空件三维数字化模型即工件模型并转化为有限元模型，赋予所述有限元模型毛坯材料属性，设置边界与接触类型后，施加加工载荷进行数值模拟计算，得到加工变形模拟数据。
如图2所示，编写相应材料物理化学属性文件，直接将材料的属性参数嵌入系统中。根据毛坯建模仿真7和特定工件选择9，利用毛坯模型和工件模型之间的布尔逻辑关系，将需要去除材料部分进行分割，为后续生死单元技术去除材料10进行加工模拟设定边界条件。
在本实施例的步骤(3)中，在所述接收预存特定工件的选择指令得到工件模型后，根据设定的加工模拟边界条件采用生死单元技术去除材料。
步骤(4)：结果分析
在本实施例的步骤(4)中，对所述工件变形数据进行仿真处理，输出航空件加工变形预测结果。如图4所示是本发明实施例中长梁航空件加工变形预测结果图。
结果分析模块6首先将生成的结果保存到制定文件目录14，然后通过后处理界面，查看应力应变和变形等结果15。
通过仿真系统模块封装，完成预测系统自定制界面，如图3所示。航空结构件变形预测仿真系统的主窗口界面包括标题栏16、菜单栏17、工具箱18、工具栏19、图形显示窗口20，同时设计了自定制的菜单栏及与之功能相对应的工具箱命令。
计算结果处理6提供应力应变等值线、变形云图等后处理功能。变形预测系统能够实现对航空整体结构件变形后数据的自动提取。
后处理单元6将数值模拟单元得到的仿真模拟数据进行处理，将长梁航空件不同部分的变形点表示出来，得到分航空长梁件加工位移变形分布图。
在本实施例中还包括基于该方法的系统，如图5所示，本发明内容航空加工变形预测系统综合毛坯初始残余应力、工件加工过程产生的残余应力及不同工作环境温度变化的综合影响。
预测系统由如下几个单元组成：预测系统信息单元1、普通PC机单元2、服务器单元3。预测系统信息单元1是用于对某航空件对加工过程的变形进行预测，普通PC机单元2是对预测系统信息单元1进行输入和输出显示，服务器单元3是对普通PC机单元2的结果完成不同部门和权限者之间的信息互换共享。
本发明所涉及的航空件加工变形系统信息单元1主要实现三个功能：参数化建模4，变形分析计算5和计算结果处理6。如航空件加工变形预测系统及方法的系统总体结构图2所示。
参数输入模块完成毛坯建模仿真7、加工工艺参数输入和应力场施加8；
计算分析模块实现特定工件选择9；生死单元技术去除材料10；应力场之间参数传递11；生成输入inp文件12和提交给分析器进行有限元计算13。
本系统运行过程包括：不同材料型号毛坯件建模，实现导入工件、参数化建模、定义材料、划分网格、定义载荷和边界条件、定义分析步、提交计算、结果分析和后处理。在输入相关的参数后系统自动运行程序，完成工件变形计算，有效地减少了手动工作所需的大量操作时间。
工程技术人员只输入工件特征参数即可后台调用分析软件，并对计算结果进行可视化显示。
实施例2：
本实施例2的目的是提供一种计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备设备的处理器加载并执行以下处理：
步骤(1)：接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
步骤(2)：接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
步骤(3)：接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
实施例3：
本实施例3的目的是提供一种终端设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：
步骤(1)：接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
步骤(2)：接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
步骤(3)：接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
这些计算机可执行指令在设备中运行时使得该设备执行根据本公开中的各个实施例所描述的方法或过程。
在本实施例中，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本公开的各个方面的计算机可读程序指令。计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
本文所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开内容操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开内容的各个方面。
应当注意，尽管在上文的详细描述中提及了设备的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅是示例性而非强制性的。实际上，根据本公开的实施例，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的一种航空件加工变形预测方法及装置，能够使基于加工信息来进行的航空件加工变形预测的结果更加系统化和具有可靠度，给工程设计人员和企业提供更加科学合理的加工工艺，提高加工质量和效率。
2、本发明所述的一种航空件加工变形预测方法，按照该方法步骤根据毛坯材料数据和加工基本信息数据即可快速准确有效预测航空件加工变形，能够完成航空长梁件、壁板件、隔框件等航空件加工后弯曲，扭转等不同形式的变形预测，并经过实际飞机结构件结构设计制造实验验证，获得的结果具有较高的可靠度，能满足飞机设计制造要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。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 (10)
1.一种航空件加工变形预测方法，其特征在于，该方法包括：
接收毛坯材料数据，根据所述毛坯材料数据建立毛坯件模型，并建立初始应力场；
接收加工基本信息数据，计算工件表面加工残余应力，获得加工应力场；
接收预存特定工件的选择指令，得到工件模型，针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析，得到其之间的布尔逻辑关系和模型仿真加工数据，结合初始应力场和加工应力场进行有限元计算，得到工件变形数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述毛坯材料数据包括航空件的材料属性数据和毛坯件基本尺寸信息数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括接收网格尺寸数据，进行网格划分，建立系统坐标。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述加工应力场通过系统坐标定义待加工工件与毛坯件的空间关系获得。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工基本信息数据包括主轴转速、进给量、切削参数、刀具几何参数和工作环境参数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到模型仿真加工数据的具体步骤包括：
根据针对毛坯件模型和工件模型进行有限元分析得到的其之间的布尔逻辑关系，将需要去除的毛坯件材料部分进行分割，设定加工模拟边界条件；
设定接触类型和加工载荷，对工件模型施加加工载荷进行数值模拟计算，得到加工变形模拟数据。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述接收预存特定工件的选择指令得到工件模型后，根据设定的加工模拟边界条件采用生死单元技术去除材料。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述工件变形数据进行仿真处理，输出航空件加工变形预测结果图。
9.一种用户客户端，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令用于执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条计算机可执行指令，所述指令适于由用户客户端设备的处理器加载并执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。
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| CN201810040345.8A Pending CN108133117A (zh) | 2018-01-16 | 2018-01-16 | 一种航空件加工变形预测方法及装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108133117A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109032074A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-12-18 | 苏州大学 | 一种手机金属中框机加工翘曲变形重构方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110295570A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Livermore Software Technology Corporation | Sheet Metal Forming Failure Prediction Using Numerical Simulations |
| CN104899355A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-09-09 | 沈阳航空航天大学 | 一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法 |
| CN105302970A (zh) * | 2015-11-04 | 2016-02-03 | 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 | 航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方法 |
-
2018
- 2018-01-16 CN CN201810040345.8A patent/CN108133117A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110295570A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Livermore Software Technology Corporation | Sheet Metal Forming Failure Prediction Using Numerical Simulations |
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| Title |
|---|
| 黄晓明: "铝合金航空整体结构件加工变形机理与预测研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109032074A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-12-18 | 苏州大学 | 一种手机金属中框机加工翘曲变形重构方法 |
| CN109032074B (zh) * | 2018-07-12 | 2020-11-17 | 苏州大学 | 一种手机金属中框机加工翘曲变形重构方法 |
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