CN109670271A - 基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法 - Google Patents

Abstract

一种基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法，通过采集测点上的变形偏差，结合壁板的变形协调方程，通过粒子群算法迭代求解出对壁板整体校形贡献度最大的测点作为敏感点；然后通过校形量模拟计算，得到使得壁板贴模度达到要求所需要的校形量；最后对敏感点施加校形量，加载释放回弹后即实现校形的效果。本发明通过选取测点测量得到校形壁板的变形偏差；基于敏感点分析获得对校形效果影响最大的敏感点；模拟计算得到敏感点的校形量；基于多点增量成形的方法对敏感点施加校形量，实现大型壁板校形的效果。

Description

基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法

技术领域

本发明涉及的是一种航天制造领域的技术，具体是一种基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法。

背景技术

在航天领域，现行的大型薄壁加筋壁板的校形方法多为现场制造工人根据经验用锤子在发生变形的部位反复敲打，将其逐渐校正到正确的位置。这种方法对于薄壁低筋弱刚性、小批量、长加工周期的壁板效果显著，但是对于筒段直径达到5m的重型火箭以及之后直径更大的超重型火箭，由于壁板壁厚和刚度的增加，所需要的校形力也随之增加，这种根据经验手工敲打校形的方法将不再可用。且随着我国火箭发射频率的增加，对于产品批量化生产的速度也提出了更高的要求，通过锤子敲打的校形方式难以满足产量的要求。

发明内容

本发明针对现有大型火箭燃料贮箱加筋壁板的校形方式的不足，提出一种基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法，通过选取测点测量得到校形壁板的变形偏差；基于敏感点分析获得对校形效果影响最大的敏感点；模拟计算得到敏感点的校形量；基于多点增量成形的方法对敏感点施加校形量，实现大型壁板校形的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法，通过采集测点上的变形偏差，结合壁板的变形协调方程，通过粒子群算法迭代求解出对壁板整体校形贡献度最大的测点作为敏感点；然后通过校形量模拟计算，得到使得壁板贴模度达到要求所需要的校形量；最后对敏感点施加校形量，加载释放回弹后即实现校形的效果。

所述的测点，通过在待校形的加筋壁板上根据壁板尺寸大小选取若干尽量放置在壁板含有加强筋的部位的测点，且相邻测点的距离不小于冲压头的直径。

所述的变形偏差是指：待校形壁板上测点垂直于壁板表面方向的变形偏差。

所述的敏感点，通过标准壁板的结构刚度矩阵结合变形偏差和壁板的变形协调方程，通过粒子群算法迭代求解出对壁板整体校形贡献度最大的测点。

所述的校形量模拟计算，采用但不限于有限元分析算法实现。

所述的对敏感点施加校形量，采用壁板校形机实现。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：测点选取与偏差采集模块、敏感点选取模块、校形量模拟模块以及增量成形模块，其中：测点选取与偏差采集模块与敏感点选取模块相连并传输测点偏差信息，敏感点选取模块与校形量模拟模块相连并传输选取的敏感点信息，校形量模拟模块与增量成形模块相连并传输校形点和校形量信息，增量成形模块实现对壁板的校形操作。

技术效果

与现有技术相比，本发明无需过多的加载点和过多的加载次数，只需对少量的敏感点进行一次加载即可达到较理想的校形效果。本发明可以实现提前在计算机中对加载点和校形量进行模拟仿真预测，无需在加工现场反复加载调试，大大加快了校形的效率。本发明无需专门的热处理保温炉，免去了加热冷却过程对材料性能的影响。

附图说明

图1为实施例贮箱壁板测点的选取示意图；

图2为实施例流程示意图；

图3为实施例中求解区域的划分和各个分区的敏感点示意图；

图4为实施例中在各敏感点进行校形的有限元仿真示意图；

图5为实施例中多点增量校形机的模拟校形图。

具体实施方式

如图2所示，为本实施例涉及的一种基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法，包括以下步骤：

步骤1、测点选取与测点偏差获取，具体步骤包括：

1.1)本实施例以现役某型火箭燃料贮箱壁板的校形为例。根据薄壁板件变形的连续性，在壁板临近的部位不会出现变形偏差相差过大的情况；且由于在增量校形的时候冲压头和壁板表面均会发生一定的变形，实际上的接触点扩大为一个小平面，因此在进行测点划分时测点不用太过密集。同时需要考虑加强筋对壁板局部刚度的影响，要尽量避免校形点位于无筋区域造成无筋部位变形过大，形成局部凹陷。故测点优选尽量放置在壁板含有加强筋的部位，相邻测点的距离不小于冲压头的直径。如图1所示为按照之前描述的测点选取原则选取的贮箱壁板测点。

1.2)测量待校形壁板在测点处的变形偏差，由于大型薄壁加筋板在制造过程中多发生翘曲变形，壁板上各点的变形大多位于垂直于壁板方向，其他方向的变形可以忽略不计，因此只需测量选取的测点垂直于壁板表面方向的变形偏差，实际测量中可以利用塞尺或者利用激光跟踪仪等仪器测量待校形壁板与模胎之间的间隙量。如下表所示为待校形贮箱壁板在测点处的变形偏差，单位为mm。

步骤2、敏感点分析，具体步骤包括：

2.1)将标准壁板模型导入到abaqus软件中通过划分网格得到整体壁板的刚度矩阵，利用matlab软件对得到的整体刚度矩阵进行节点剔除，得到步骤1中选取的测点组装成的简化刚度矩阵，以加快计算速度。

所述的标准壁板模型的材料为2219铝合金，壁板外径3350mm，厚度6mm，圆心角90°，长度727.5mm，加强筋筋高6mm，呈网格状分布。

所述的节点剔除是指：根据步骤1选取的测点找到对应位置的节点编号，在matlab软件中对相应编号的刚度矩阵进行保留，剔除其他位置的节点刚度矩阵。

2.2)利用简化刚度矩阵和变形偏差，结合壁板的变形协调方程计算对壁板整体校形贡献度最大的测点，称之为敏感点。本实施例中采用粒子群算法迭代求解敏感点，在这里考虑到单点增量成形只会在周围的区域产生变形，因此在求解敏感点之前需要对求解区域进行分区处理，如图3所示，将薄壁加筋板分为5个分区，在每个分区内分别进行迭代寻优，其数学表征具体为：5个分区分别定义为区域A1、区域A2、区域A3、区域A4和区域A5，第i个分区中所有测点的刚度矩阵定义为E_i，相应的变形偏差矩阵定义为δ_i。

为了防止出现迭代不收敛的现象，考虑到敏感点一般是分布在区域内变形偏差最大的测点附近，因此取每个分区内初始偏差最大的点作为迭代初始值，第i个分区中的种群大小定义为M_i，迭代初始值定义为V_i，最大迭代次数定义为N_i次，适应度函数定义为F_i，若在最大迭代次数之前就已经收敛，则取收敛值V_besti为最优解，若达到最大迭代次数还未收敛，则调整M_i和N_i的值继续进行迭代；进行迭代寻优之后可以得到每个分区的前几阶最优解，这些最优解即为敏感点。如图3所示为求解区域的划分和各个分区的敏感点。

步骤3、敏感点校形量计算：在实际校形过程中，施加位移载荷比施加力载荷更容易实现，因此在这里施加的校形量为位移载荷。

考虑到对单个敏感点施加位移载荷只会影响其周围的一部分区域，可以认为，壁板上每个位置的塑性变形量只会受到与其相邻的几个敏感点位移载荷的影响，通过abaqus仿真软件对每个敏感点施加不同的校形量，并对各个不同校形量的校形结果进行仿真模拟，从而得到每个敏感点处需要施加的位移载荷，由于在大型薄壁加筋板校形冲压头下压过程中产生的大部分变形属于弹性变形范畴，在冲压头释放回弹后残留的塑性变形量只占其中一小部分，因此实际施加的位移载荷要远大于该点处的塑性变形量。

所述的仿真模拟具体为：在基于abaqus二次开发的仿真模型中对敏感点施加位移载荷，将位移载荷作为输入量，设置初始位移载荷，计算所有测点的塑性变形量，每个测点校形产生的塑性变形量与原有的变形偏差进行叠加，将叠加值作为输出量，然后通过迭代计算得到使得叠加值最小的位移载荷，该位移载荷即为敏感点处的校形量，其具体数学表征为：其中一个敏感点第一次仿真的位移载荷为D₁，第二次仿真的位移载荷D₂＝D₁+d，其中d为每次仿真的位移载荷增量；以此类推，第n次仿真的位移载荷D_n＝D₁+(n-1)d。计算得到第1个到第m个测点第一次仿真的塑形变形量分别为P₁₁,P₂₁,...P_m1，第二次仿真的塑形变形量分别为P₁₂,P₂₂,...P_m2，第n次仿真的塑形变形量分别为P_1n,P_2n,...P_mn。分别与m个测点的初始变形偏差C₁,C₂,...C_m叠加后求平方和，平方和最小的一组即为所求。

如图4所示，为壁板在各敏感点进行校形的有限元仿真。

步骤4、多点增量校形：利用一台壁板校形机对步骤2得到的敏感点施加步骤3得到的校形量。如图5所示，本实施例采用的壁板校形机基于多点增量成形的原理，即利用若干冲压头同时对不同的冲压点施加一定量的位移载荷，冲压后冲压头释放回弹后达到预期校形效果。

所述的壁板校形机上设有多排滚轮组，每排滚轮组包括：活动设置的上滚轮a和下滚轮b，待校形壁板c放置于上、下滚轮间。在需要下凹的变形时由下滚轮进行支撑，上滚轮进行进给；在需要上凸的变形时由上滚轮进行支撑，下滚轮进行进给。

所述的上、下滚轮能够上下、前后和左右方向三维运动，通过移动到敏感点并利用上下方向的自由度以施加预先计算好的校形量，每个方向的进给量通过壁板校形机所处的绝对坐标进行精确定位。

如图5所示为多点增量校形机的模拟校形图，图中将用作校形的滚轮移动到各个敏感点处分别施加校形量。

本方法适用于绝大部分大型薄壁加筋板的校形，能够快速简单且精确地确定好板件的校形位置和校形量并进行快速校形，能够针对薄壁加筋板这种局部不均匀的结构在加工制造中容易出现翘曲变形又难以将其校形到标准位置的现象，创新性地提出了基于多点增量成形原理的校形方法，创新性地利用结构刚度矩阵和粒子群算法对校形点位置进行预测，对校形量进行仿真模拟，并创新性地设计了一种多点增量校形机。

本方法相对于现有的凭经验反复修配，使用大型热处理保温炉，通过蠕变时效校形等校形方法，能够大大缩短校形时间，且无需考虑热处理对材料性能的影响。且对于大批量相同结构的零件仅需进行一次测点的选取和结构刚度矩阵的计算，在大批量校形处理中能够进一步提高校形效率。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于敏感点多点增量成形的大型薄壁加筋板的校形方法，其特征在于，通过采集测点上的变形偏差，结合壁板的变形协调方程，通过粒子群算法迭代求解出对壁板整体校形贡献度最大的测点作为敏感点；然后通过校形量模拟计算，得到使得壁板贴模度达到要求所需要的校形量；最后对敏感点施加校形量，加载释放回弹后即实现校形的效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的测点，通过在待校形的加筋壁板上根据壁板尺寸大小选取若干尽量放置在壁板含有加强筋的部位的测点，且相邻测点的距离不小于冲压头的直径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的变形偏差是指：待校形壁板上测点垂直于壁板表面方向的变形偏差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的敏感点，通过标准壁板的结构刚度矩阵结合变形偏差和壁板的变形协调方程，通过粒子群算法迭代求解出对壁板整体校形贡献度最大的测点，具体步骤包括：壁板分区划分，分区的测点刚度矩阵和变形偏差矩阵定义，粒子群算法种群大小和迭代次数选取、初始值和适应度函数定义等。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的敏感点，通过以下方式得到：

1)将标准壁板模型导入到abaqus软件中通过划分网格得到整体壁板的刚度矩阵，利用matlab软件对得到的整体刚度矩阵进行节点剔除，得到选取的测点组装成的简化刚度矩阵，以加快计算速度；

2)采用粒子群算法迭代求解敏感点：对求解区域进行分区处理，每个分区内初始偏差最大的点作为迭代初始值，第i个分区中的种群大小定义为M_i，迭代初始值定义为V_i，最大迭代次数定义为N_i次，适应度函数定义为F_i，若在最大迭代次数之前就已经收敛，则取收敛值V_besti为最优解，若达到最大迭代次数还未收敛，则调整M_i和N_i的值继续进行迭代；进行迭代寻优之后可以得到每个分区的前几阶最优解，这些最优解即为敏感点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的对敏感点施加校形量，采用壁板校形机实现。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的壁板校形机上设有多排滚轮组，每排滚轮组包括：活动设置的上滚轮和下滚轮，将待校形壁板放置于上、下滚轮之间。在需要下凹的变形时由下滚轮进行支撑，上滚轮进行进给；在需要上凸的变形时由上滚轮进行支撑，下滚轮进行进给；

所述的上、下滚轮能够上下、前后和左右方向三维运动，通过移动到敏感点并利用上下方向的自由度以施加预先计算好的校形量，每个方向的进给量通过壁板校形机所处的绝对坐标进行精确定位。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，由于壁板上每个位置的塑性变形量只会受到与其相邻的几个敏感点位移载荷的影响，通过abaqus仿真软件对每个敏感点施加不同的校形量，并对各个不同校形量的校形结果进行仿真模拟，从而得到每个敏感点处需要施加的位移载荷，由于在大型薄壁加筋板校形冲压头下压过程中产生的大部分变形属于弹性变形范畴，在冲压头释放回弹后残留的塑性变形量只占其中一小部分，因此实际施加的位移载荷要远大于该点处的塑性变形量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的仿真模拟具体为：在基于abaqus二次开发的仿真模型中对敏感点施加位移载荷，将位移载荷作为输入量，设置初始位移载荷，计算所有测点的塑性变形量，每个测点校形产生的塑性变形量与原有的变形偏差进行叠加，将叠加值作为输出量，然后通过迭代计算得到使得叠加值最小的位移载荷，该位移载荷即为敏感点处的校形量，其具体数学表征为：其中一个敏感点第一次仿真的位移载荷为D₁，第二次仿真的位移载荷D₂＝D₁+d，其中d为每次仿真的位移载荷增量；以此类推，第n次仿真的位移载荷D_n＝D₁+(n-1)d。计算得到第1个到第m个测点第一次仿真的塑形变形量分别为P₁₁,P₂₁,...P_m1，第二次仿真的塑形变形量分别为P₁₂,P₂₂,...P_m2，第n次仿真的塑形变形量分别为P_1n,P_2n,...P_mn。分别与m个测点的初始变形偏差C₁,C₂,...C_m叠加后求平方和，平方和最小的一组即为所求。

10.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：测点选取与偏差采集模块、敏感点选取模块、校形量模拟模块以及增量成形模块，其中：测点选取与偏差采集模块与敏感点选取模块相连并传输测点偏差信息，敏感点选取模块与校形量模拟模块相连并传输选取的敏感点信息，校形量模拟模块与增量成形模块相连并传输校形点和校形量信息，增量成形模块实现对壁板的校形操作。