CN108304657A - 基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，包括：步骤一，关重件模型简化和铸造系统三维建模；步骤二，关重件铸造过程有限元仿真；步骤三，关重件铸造应力场的系数修正；步骤四，关重件机加工残余应力仿真；步骤五，关重件热时效过程残余应力有限元仿真。本发明实现了铸造、切削和热时效过程的多工序连续仿真；且其以盲孔法试验测量值为参考，提取关重件铸造仿真对应点的应力值，通过MATLAB运用最小二乘法拟合出对应点的试验值和仿真值误差最小的修正系数，然后对整个铸造应力场数据进行修正，提高了有限元仿真的计算精度，并解决了准确将横梁修正后的铸造应力场导入到ABAQUS中的技术问题。

Description

基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，特别涉及一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法。

背景技术

数控机床作为装配制造业的“工作母机”，其技术水平和产品质量是衡量制造业发展的重要标志。国产数控机床的精度在使用过程中会逐渐变差，而数控机床关重件的精度保持性是影响机床精度的主要原因之一。数控机床的关重件由于结构复杂，在铸造、机加工、时效处理等工艺中，关重件各部位间的温度变化速度不同导致残余应力的产生，且关重件内部残余应力释放引起的变形是导致数控机床精度保持性变差的主要原因。

目前我国机床生产单位对机床关重件的残余应力重视度不够，且关重件残余应力消减工艺不规范以及未对残余应力消减效果进行定量分析和评估；而通过盲孔法试验只能测量关重件有限个点的残余应力，得不到连续加工过程中关重件整体残余应力分布规律，从而不能对关重件内部残余应力做出相关工艺调控，导致部分关重件在装配时内部残留较大的应力，在后期的部件装配和机床服役过程中内部残余应力释放产生变形，降低关重件的几何精度，若变形不大可再次时效处理，变形较大则可能导致部件报废，从而增加了企业的生产制造成本。

因此有必要得到机床关重件在制造过程中的残余应力变化规律，更好地评价热时效过程中残余应力的消减效果，以便于调控制造过程中关重件内部残余应力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，以得到机床关重件在制造过程中的残余应力变化规律，分析机床关重件在热时效工序中其内部残余应力的消除率，评估各工序中关重件内部应力状态，进而便于调控优化关重件的制造工艺，降低机床关重件生产制造成本。

本发明基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：关重件铸造系统三维建模

1)根据机床关重件的实际铸件工艺，应用三维建模软件简化关重件的三维模型；

2)应用三维建模软件设计出关重件的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口，并将关重件铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出；

3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中；

步骤二：关重件铸造过程有限元仿真

1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注系统、冒口、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型；

2)设置铸件、浇注系统、冒口以及砂箱的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程中的温度场和铸造应力场；

步骤三：关重件铸造应力场的系数修正

1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件导轨面上有限个点的残余应力值；

2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为对应点的铸造仿真应力值为S_k，k为测量点的个数，通过最小二乘法 当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a，然后将关重件铸造应力场仿真值乘以该修正系数a，完成对整个关重件铸造应力场数据的修正；

步骤四：关重件机加工残余应力仿真

1)加载铸造仿真网格模型和系数修正后的铸造应力场，其包括：将有限元网格模型inp格式文件导入ABAQUS中，并把修正后的关重件铸造应力场用Excel编辑处理后，通过编辑模型关键字加载铸造应力场；

2)切削仿真参数设置，其中切削仿真中密度、弹性模量、泊松比、热传导系数等与铸造中的材料属性参数一致，并采用单元生死法模拟切削加工中的材料去除，得到铸件材料切削去除后的应力场；

步骤五：关重件热时效过程残余应力有限元仿真

关重件热时效过程残余应力有限元仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；

关重件热时效仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；

1)瞬态热分析得到关重件热时效过程的温度场变化，包括步骤：

a、在ABAQUS中导入切削仿真后的有限元网格模型；

b、设置与铸造、切削相同的材料属性参数；

c、修改分析类型和有限元网格单元类型；

d、结合实际热时效工艺加载温度参数和设置预定义温度场，提交Job文件仿真得到热时效过程中温度场的变化结果；

2)非线性结构分析，包括步骤：

e、复制瞬态热分析有限元仿真模型；

f、修改单元分析类型为静力通用和网格单元类型为三维实体单元，设置结构分析中的边界条件；

g、导入瞬态热分析中的温度场变化结果；

h、将关重件材料切削去除后的应力场作为热时效模拟预应力加载至有限元模型，并导入瞬态热分析中温度场变化的结果，提交Job文件仿真得到热时效后关重件的残余应力。

进一步，在步骤一中应用三维建模软件简化关重件的三维模型，包括去除关重件的螺纹孔、倒角、以及消隙等小特征。

进一步，在步骤五的瞬态热时效分析中，通过如下方法加载热时效工艺温度参数：

1)将带有有限元网格模型的inp文件导入到Hypermesh中，通过Hypermesh建立关重件的表面节点集合；

2)将带有关重件表面节点集的有限元网格模型文件导入ABAQUS中，然后将实际的热时效工艺温度载荷加载至关重件表面节点集上。

本发明的有益效果：

1、本发明基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其应用专业铸造软件ProCAST和工程模拟软件ABAQUS实现铸造、切削和热时效工序之间的连续仿真，得到制造过程中各个工序加工后关重件的残余应力场，实现了铸造到切削过程的连续仿真。

2、本发明基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其以盲孔法试验测量值为参考，提取关重件铸造仿真对应点的应力值，通过MATLAB运用最小二乘法拟合出对应点的试验值和仿真值误差最小的修正系数，然后对整个铸造应力场数据进行修正，提高了有限元仿真的计算精度，解决了铸造过程中的有限元仿真值和盲孔法试验值吻合度不高的问题。

3、本发明基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其通过ABAQUS的温度-位移间接耦合模式模拟关重件热时效，由于关重件结构复杂不易选择其表面节点，本方法通过Hypermesh建立关重件表面节点集合，再以inp格式文件导入ABAQUS中实现关重件表面节点的温度工艺参数加载，解决了关重件结构复杂不易选择其表面节点的难题。

附图说明

图1机床关重件残余应力多工序连续仿真方法的流程图。

图2横梁关重件和浇注系统的有限元网格模型。

图3横梁关重件铸造残余应力场，图中Effective Stres：等效应力。

图4导入ABAQUS修正后的横梁铸造应力场。

图5横梁关重件切削仿真残余应力场。

图6横梁关重件热时效后残余应力场。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐释本发明。应理解本实施例中以数控龙门机床横梁为例的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真分析仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术领域人员对本发明的各种等价形式的修改均属于所附权利要求所限定的范围。

根据附图1所示的关重件多工序连续仿真流程，从浇注系统、冒口、砂箱建模，关重件铸造应力仿真，关重件铸造应力仿真值修正，关重件机加工应力仿真，关重件热时效应力仿真五个方面对本发明进行详细的阐述。在各个制造工序完成后采用盲孔法试验对关重件残余应力进行跟踪检测，验证有限元仿真理论的可信性。

以下以数控龙门机床的横梁关重件为研究对象进行多工序有限元仿真建模，阐述本发明方法的完整流程。横梁的外形尺寸为5800×1340×1220mm。采用专业铸造软件ProCAST和工程软件ABAQUS实现关重件的多工序连续仿真，其具体步骤如下：

步骤一：横梁铸造系统三维建模

1)根据横梁的实际铸件工艺，应用Pro/E软件简化关重件的三维模型，去除横梁的螺纹孔，倒角，消隙等小特征。

2)应用Pro/E软件设计出横梁的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口。根据横梁的外型尺寸和重量设计浇注系统形式：由于浇杯作用是实现补缩和便于铁水浇注，为节约仿真时间可不设计浇杯，只需确定浇注系统的直浇道、横浇道、分直浇道、内浇道和冒口的尺寸大小。其中直浇道横截面为直径120mm的圆，横浇道横截面为边长80mm的正方形，分直浇道横截面为直径70mm的圆，内浇道横截面为130×30的矩形，冒口尺寸的横截面为50×50的正方形。由于龙门机床横梁关重件外形尺寸较大，浇注系统内浇道需做双层设计，且采用双向浇注的方式，内浇道装配位置位于横梁内部筋板处。并将横梁铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出。

3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中。

当然在不同实施例中，也可采用现有的其它三维建模软件进行横梁铸造系统三维建模。

步骤二：横梁铸造过程有限元仿真

1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件的铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注系统、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型。具体如下：

在铸造软件中建立砂箱模型，其外形尺寸设置为距离横梁铸件装配体外表面150mm的长方体，通过Assembly和Intersection命令去除横梁铸件、浇注系统、冒口和砂箱之间的重叠面和相交实体，然后整个装配体进行有限元网格划分，结合计算时间和精度要求，对装配模型中不同部件采取不同的网格单元尺寸；其中横梁网格单元尺寸为20mm，导轨安装面等关键部位需进一步划分，其网格单元尺寸为5mm；对于浇注系统和冒口部件，其网格单元尺寸设置为30mm；砂箱的网格单元尺寸设置为50mm；采用C3D4单元类型，并对划分好的网格单元尺寸做质量检查。得到最终的网格单元尺寸如图2所示。

2)设置铸件、浇注系统、砂箱、以及型砂的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程温度和应力的变化规律。具体如下：

建立有限元网格模型后，设置铸造工艺参数，其中包括采用重力铸造方式，横梁、浇注系统和冒口材料选择HT300(EN-GJL-300)，砂型材料选择树脂砂(Resin BondedSand)；横梁铸件、浇注系统、冒口与砂箱间的界面换热系数h＝500w/(m²·K)，铸件冷却形式为空冷(FilmCo＝10w/(m²·K)，t_∞＝25℃)，浇注温度为1400℃，浇注时间90s，对砂箱底面固定约束，设置横梁铸件铸造仿真终止条件为保温时间为144h或开箱温度200℃，仿真得到保温后的横梁铸造应力场。

横梁铸件保温时结束后需进行开箱清砂处理，待其冷却至室温后再进行下一步工序。在开箱过程中横梁铸件内部应力变化很大，通过开箱仿真得到横梁铸件内部应力的变化。删除浇注系统、冒口和砂箱等实体，选定横梁铸件后，通过Extract提取横梁温度场和应力场，设置横梁充型情况为100％，重新选择横梁外表面并设置边界条件，设置冷却终止温度为25℃，仿真得到开箱后冷却至室温的横梁铸造应力云图如图3所示；并输出横梁有限元网格模型的inp文件和带有铸造应力场的asf文件。

步骤三：关重件铸造应力场的系数修正

1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件上有限个点的残余应力值；

2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为对应点的铸造仿真应力值为S_k，k为测量点的个数，通过最小二乘法 当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a，然后将关重件铸造应力场仿真值乘以该修正系数a，完成对整个关重件铸造应力场数据的修正。具体如下：

以盲孔法试验测量值为参考，在ProCAST中提取对应点的铸造仿真应力值，对应点的试验值和仿真值如表格1所示。根据12个测点的试验值和仿真值数据，当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a＝0.9479。

表1横梁试验测量值及其对应点的仿真值

步骤四：横梁机加工残余应力仿真

1)加载铸造仿真网格模型和系数修正后的铸造应力场，其包括：将有限元网格模型inp格式文件导入ABAQUS中，并把修正后的关重件铸造应力场用Excel编辑处理后，通过编辑模型关键字加载铸造应力。具体如下：

将inp格式有限元网格模型文件直接导入ABAQUS中，铸造应力asf文件需通过Excel编辑处理。通过Excel对横梁有限元网格节点进行重新命名排序，part-1-1.X，‘part-1-1’为横梁实体名，‘X’为横梁第几个单元，并将各单元的应力分量数值改为小数形式，且另存为*.CSV格式的文件；铸造应力值通过在ABAQUS中编辑模型关键字实现加载，其语句内容为“*initial conditions，type＝stress，input＝*.CSV”；ABAQUS加载后得到修正后横梁铸造应力云图如图4所示。

2)切削仿真参数设置，其中切削仿真中密度、弹性模量、泊松比、热传导系数等与铸造中的材料属性参数一致，并采用单元生死法模拟切削加工中的材料去除，得到铸件材料切削去除后的应力场。单元生死法模拟切削材料去除过程具体如下：

采用t-mm-s单位制，结合铸造分析定义横梁的材料属性如表2；设置GeneralStatic分析类型，建立材料去除部分建立单元集，采用modal change命令实现切削材料去除仿真，按照实际工艺对基准面设置约束条件，提交Job文件进行仿真分析，得到机加工应力云图如图5所示。

表2单元生死法分析横梁材料属性参数

密度(t/mm3)	弹性模量(MPa)	泊松比
			7.2×10-9	143000	0.27

步骤五：关重件热时效过程残余应力有限元仿真

关重件热时效过程残余应力有限元仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；

关重件热时效仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；

1)瞬态热分析得到关重件热时效过程的温度变化，包括步骤：

a、在ABAQUS中导入切削仿真后的有限元网格模型；

b、设置与铸造、切削相同的材料属性参数；

c、修改分析类型为Heat Transfer和有限元网格单元类型设置为DC3D4；

d、结合实际热时效工艺加载温度参数和设置预定义温度场，仿真得到热时效过程中温度场的变化结果。

1)加载有限元模型并设置参数

在步骤b中重新定义材料属性参数，如表3所示，其参数均为温度相关的变量。

表3热时效仿真分析中横梁材料属性参数

横梁通过热时效炉完成热时效过程；在步骤d中关重件表面节点施加温度载荷，具体的温度工艺参数如表4所示；由于横梁内部存在筋板，整体结构复杂，难以建立表面节点集合，需将有限元网格模型的inp文件导入Hypermesh中，通过抽取表面建立横梁表面节点集，再次导入至ABAQUS，通过创建边界条件施加温度载荷，阶梯型温变工艺参数利用“表”类型幅值建立；提交Job文件完成横梁关重件的热时效过程中瞬态热分析仿真，得到热时效过程温度场变化的结果。

表4热时效仿真分析的温度工艺参数

2)非线性结构分析，包括步骤：

e、复制瞬态热分析有限元仿真模型，结构应力分析材料属性参数不变；

f、修改单元分析类型为静力通用，设置结构分析中的边界条件，网格单元类型换成三维应力C3D4；

g、导入瞬态热分析的温度场变化结果；

h、加载横梁材料切削去除后的应力场，将其作为热时效模拟预应力加载至有限元模型，并导入瞬态热分析中温度场变化的结果，提交Job文件仿真热时效过程阶梯型温变引起的结构应力变化，最终得到的热时效应力云图如图6所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：关重件铸造系统三维建模

1)根据机床关重件的实际铸件工艺，应用三维建模软件简化关重件的三维模型；

2)应用三维建模软件设计出关重件的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口，并将关重件铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出；

3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中；

步骤二：关重件铸造过程有限元仿真

1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注浇注系统、冒口、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型；

2)设置关重件、浇注系统、砂箱、以及型砂的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程温度和应力的变化规律；

步骤三：关重件铸造应力场的系数修正

1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件上有限个点的残余应力值；

2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为对应点的铸造仿真应力值为S_k，k为测量点的个数，通过最小二乘法 当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a，然后将关重件铸造应力场仿真值乘以该修正系数a，完成对整个关重件铸造应力场数据的修正；

步骤四：关重件机加工残余应力仿真

1)加载铸造仿真网格模型和系数修正后的铸造应力场，其包括：将有限元网格模型inp格式文件导入ABAQUS中，并把修正后的关重件铸造应力场用Excel编辑处理后，通过编辑模型关键字语句加载铸造应力；

2)切削仿真参数设置，其中切削仿真中密度、弹性模量、泊松泊松比、热传导系数等应与铸造中的材料属性参数一致，并采用单元生死法模拟切削加工中的材料去除，得到铸件材料切削去除后的应力场；

步骤五：关重件热时效过程残余应力有限元仿真

关重件热时效过程残余应力有限元仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；

1)瞬态热分析得到关重件热时效过程的温度变化，包括步骤：

a、在ABAQUS中导入切削仿真后的有限元网格模型；

b、设置与铸造、切削相同的材料属性参数；

c、修改分析类型和有限元网格单元类型；

d、结合实际热时效工艺加载温度参数和设置预定义温度场，仿真得到热时效过程中温度场的变化结果；

2)非线性结构分析，包括步骤：

e、复制热时效过程中瞬态热分析的有限元仿真模型；

f、修改单元分析类型为静力通用，设置非线性结构分析中的边界条件；

g、导入瞬态热分析的温度场变化结果；

h、将关重件材料切削去除后的应力场作为热时效模拟预应力加载至有限元模型，并导入瞬态热分析中温度场变化的结果，仿真得到热时效后关重件的残余应力。

2.根据权利要求1所述的基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其特征在于：在步骤一中应用三维建模软件简化关重件的三维模型，包括去除关重件的螺纹孔、倒角、以及消隙等小特征。

3.根据权利要求1所述的基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其特征在于：在步骤五的瞬态热分析中，通过如下方法加载温度参数：

1)将带有有限元网格模型的inp文件导入到Hypermesh中，通过Hypermesh建立关重件的表面节点集合；

2)将带有关重件表面节点集的有限元网格模型文件导入ABAQUS中，然后将实际的热时效工艺温度载荷加载至关重件表面节点集上。