CN110688793B - 基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，包括以下步骤：仿真导管弯曲的成形过程得到有限元分析结果文件，并计算得到导管的实际弯曲角度，然后选择正向校形方式或反向校形方式，生成导管校形模具并调至最优位置；设定一个粗校形角度值，通过有限元模拟导管的校形过程，提取校形过程的有限元分析文件，读取每一帧中导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场，根据装配所要求的导管性能指标，计算得到导管的校形极限角度；以所述校形极限角度作为对比依据，判断是否可按实际装配时测得的校形角度对弯曲成形后的航空导管进行二次校形。本发明可以在避免导管带应力装配的同时保证导管的性能指标符合要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，属于管材弯曲成形技术领域。
背景技术
导管作为一类介质运输承载构件而被广泛用于航空领域。飞行器内部系统分布着各种不同材料、规格尺寸和空间几何形状的导管，分别承担着动力传递、液气体输送、线缆保护等作用。导管在航空领域素有飞行器心血管之称，尤显其对于飞行器正常运行的重要性。
航空管路系统作为最后一个装入飞机内部的系统，其装配受到导管的成形精度以及其他部件装配准确度的影响，由于在制造和装配等环节均存在不可避免的误差，为使导管装配到预定位置，目前常用的方法是对导管采用带应力装配或通过测量重新成形导管再进行装配。但是，导管的带应力装配会使导管的使用寿命下降，同时增加了生产成本，延长了飞机总体装配进度。
因此，在导管一次成形后，有必要对成形导管进行二次弯曲校形，这样就可以通过调整导管弯曲部位的弯曲角度补偿装配误差，使导管能够装配到预定位置，以此来避免导管带应力装配。二次弯曲校形时的实际弯曲角度(即二次校形角度)是在实际装配时测量得到的，但是导管在二次校形过程中没有支撑，如二次校形角度过大，容易出现管壁的瘪塌，导致导管校形后不再符合性能指标的要求。因此如何确定导管的二次校形极限角度值，使导管在二次校形后能够实现不带应力装配而且保证性能指标仍然符合要求，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决技术问题是：提供一种保证校形后的导管不带应力进行装配且符合性能指标的要求航空导管二次校形的质量校核方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，包括以下步骤：
步骤一、根据航空导管弯曲成形的生产工艺，通过有限元仿真导管弯曲的成形过程，最终得到成形后的有限元分析结果文件，所述有限元分析结果文件包括导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场；
步骤二、从所述有限元分析结果文件中提取导管的空间几何参数，并计算得到导管的实际弯曲角度；
步骤三、通过比较导管的实际弯曲角度和实际测量得到的二次校形角度，选择相应的校形方式：若实际弯曲角度小于二次校形角度，属于成形不足，则选择正向校形方式，继续增大导管的弯曲角度；若实际弯曲角度大于二次校形角度，属于成形过度，则选择反向校形方式，减小导管的弯曲角度；
步骤四、根据步骤三得到的校形方式设置导管校形模具；根据步骤二得到的导管空间几何参数，计算导管校形模具和导管之间的干涉量，若干涉量大于预设的允许误差值，则调整导管校形模具的位置，直到满足要求为止；
步骤五、根据校形方式设定一个粗校形角度值，以步骤一中得到的所述有限元分析结果文件的应力应变分布场、厚度分布场、节点位移场为基础，通过有限元模拟导管的校形过程，从而得到校形过程的有限元分析文件；
步骤六、提取校形过程的有限元分析文件，读取每一帧中导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场，并进行相应的转换计算，得到每一帧中的导管性能指标；
步骤七、根据装配所要求的导管性能指标，选取导管性能指标符合要求且最接近装配所要求的导管性能指标的帧作为最优帧，从而得到最优帧对应的导管弯曲角度作为校形极限角度；
步骤八、将所述校形极限角度与二次校形角度作对比，若二次校形角度小于校形极限角度，则按二次校形角度对航空导管进行二次校形；若二次校形角度大于校形极限角度，则无法按二次校形角度进行二次校形。
优选的，步骤六中，所述导管性能指标为导管椭圆度或导管壁厚减薄率；所述导管椭圆度的计算方法为：沿导管轴线的切线方向建立多个横截面，每个横截面与导管的外轮廓相交均形成一个椭圆，计算每个椭圆的长、短轴直径之差与导管初始外径的比值，所有比值中的最大值即为导管椭圆度；所述导管壁厚减薄率的计算方法为：根据导管的厚度分布场，提取导管的最小厚度值，所述导管壁厚减薄率＝(导管初始厚度值-导管最小厚度值)/导管初始厚度值。
上述技术方案的进一步改进是：步骤七完成后，还生成后处理报告，包括最优帧中导管的校形极限角度、导管性能指标、最大应力和/或最小壁厚。
本发明带来的有益效果是：本发明通过仿真导管弯曲的成形过程，可以根据导管成形情况自动选择校形方式，并通过设定一个粗校形角度值，自动获取校形极限角度，并以作为对比依据，判断是否可按实际装配时测得的校形角度(本发明中称之为二次校形角度)对弯曲成形后的航空导管进行二次校形，从而在避免导管带应力装配的前提下，保证导管的性能指标符合要求，进而提高了导管的使用寿命。本发明通过校形后导管性能的自动提取、导管校形极限的自动确定和后处理报告的自动生成，大幅提高了有限元分析速度，并有效降低了导管校形有限元仿真的操作难度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的流程示意图。
图2是后处理报告的示意图。
图3是导管弯曲成形及二次校形的过程示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例基于ABAQUS提供的二次开发接口，对ABAQUS进行了二次开发，能够实现导管校形方式的自动选择、导管校形有限元模型的快速建立、校形后导管性能的自动提取、导管校形极限的自动确定和后处理报告的自动生成，从而提高了有限元分析的效率，最终依据有限元分析的结果对导管进行二次校形，保证了导管二次校形后的性能，提高了导管的使用寿命。当然，本发明在实施时，也可以采用其他有限元软件。
本实施例中，导管初始外径为30mm，导管初始厚度值为1mm，有一个弯头，理论弯曲角度为60°，理论弯曲半径均为50mm。导管材料为1Cr18Ni10Ti，弹性模量为187GPa，泊松比为0.3。在实际装配过程中，经测量发现弯管需要校形至60.80°，即二次校形角度为60.80°，且根据实际工程经验，要求校形后导管椭圆度小于4.5％。本实施例中导管弯曲成形、二次校形的过程如图3所示。
本实施例的基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、根据航空导管弯曲成形的生产工艺(本实施例以申请人的某一生产线工艺为例)，通过有限元仿真导管弯曲的成形过程，最终得到成形后的有限元分析结果文件，所述有限元分析结果文件包括导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场。有限元分析结果文件在ABAQUS中存为(.odb)格式，用于后序校形分析。
步骤二、从所述有限元分析结果文件中提取导管的空间几何参数，能够区分直段和弯头，并计算得到导管的实际弯曲角度，即导管一次成形后的实际弯曲角度。这样，使得操作人员不需要手动地测量成形结果，避免了大量的人工操作和计算，极大提高了效率。
对于本实施例，通过计算得到实际弯曲角度为59.853°，实际弯曲半径为49.871mm，与生产线工艺的实测结果非常接近。
步骤三、通过比较导管的实际弯曲角度和实际测量得到的二次校形角度，选择相应的校形方式：若实际弯曲角度小于二次校形角度，属于成形不足，则选择正向校形方式，继续增大导管的弯曲角度；若实际弯曲角度大于二次校形角度，属于成形过度，则选择反向校形方式，减小导管的弯曲角度。
在本实例中，实际弯曲角度(59.853°)小于二次校形角度(60.80°)，属于成形不足的情况，因此选择正向校形方式。
步骤四、根据步骤三得到的校形方式设置导管校形模具(即在ABAQUS中设置相应的导管校形模具基本参数，包括弯曲模参数、限位块参数和橡胶垫参数等，此为现有技术，不再赘述)；根据步骤二得到的导管空间几何参数，计算导管校形模具和导管之间的干涉量，若干涉量大于预设的允许误差值，则调整导管校形模具的位置，直到满足要求为止。因此，本实施例可以自动寻找到符合要求的最佳位置，不需要操作人员手动调整模具位置，极大地节省了时间成本，同时降低了设置的失败率。
步骤五、根据校形方式设定一个粗校形角度值，以步骤一中得到的所述有限元分析结果文件的应力应变分布场、厚度分布场、节点位移场为基础，通过有限元模拟导管的校形过程，从而得到校形过程的有限元分析文件。
粗校形角度值可以根据经验设置一个较大的值，比如在本实施例中，选择粗校形角度度为63°，在后续的校形计算中，能够自动选取最优的校形角度。本实施例在ABAQUS的Job模块下，创建作业，进行导管校形计算。
步骤六、提取校形过程的有限元分析文件，读取每一帧中导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场，并进行相应的转换计算，得到每一帧中的导管性能指标。这样，通过自动计算导管成形性能技术指标这一功能节省了大量人工测量、计算的时间。
所述导管性能指标为导管椭圆度或导管壁厚减薄率；
所述导管椭圆度的计算方法为：沿导管轴线的切线方向建立多个横截面，每个横截面与导管的外轮廓相交均形成一个椭圆，计算每个椭圆的长、短轴直径之差与导管初始外径的比值，所有比值中的最大值即为导管椭圆度，直观的计算公式如下：
式中，
为导管椭圆度，Dmax为椭圆的长轴直径，Dmin为椭圆的短轴直径，D为导管初始外径。
所述导管壁厚减薄率的计算方法为：根据导管的厚度分布场，提取导管的最小厚度值，所述导管壁厚减薄率＝(导管初始厚度值-导管最小厚度值)/导管初始厚度值，计算公式为：
式中，ξ为导管壁厚减薄率，tmin为导管的最小厚度值，t为导管初始厚度值。
本实施例主要对椭圆度提出了要求，因此选择计算有限元分析文件中每一帧导管的椭圆度，为了提高计算速度，可以选择计算前二十帧校形结果中导管的椭圆度。一般来说，校形极限角度只会位于前二十帧中，否则原来的生产工艺很可能不符合要求。
步骤七、根据装配所要求的导管性能指标，选取导管性能指标符合要求且最接近装配所要求的导管性能指标的帧作为最优帧，从而得到最优帧对应的导管弯曲角度，该角度即为导管的校形极限角度。这样就避免了操作人员反复的计算和查找，同时也避免了人工计算可能出现的失误。
在本实施例中，要求导管的椭圆度小于4.5％，系统计算出第9帧的椭圆度为4.4％，第10帧的椭圆度为4.7％，说明导管在第9帧达到校形极限，此时的弯曲角度为60.95°，说明导管的校形极限角度为60.95°。
在得到校形极限角度后，还可以自动输出后处理报告，根据前后处理文件，自动输出校形结果云图，并输出相应的性能指标，如校形极限角度、椭圆度、最大应力、最小壁厚等，最终以pdf文档的形式生成后处理报告。当然，操作人员也可手动选择需要输出的物理量。在本实施例中，自动生成的后处理报告如图2所示，主要关注校形结果应力云图、厚度分布云图及校形极限角度等。
步骤八、以所述校形极限角度作为依据，与实际装配时测量得到的需要校形的角度进行对比。若实际测得的校形角度小于校形极限角度，表示可以进行校形，则按实际测得的校形角度对航空导管进行二次校形；反之，则表示按实际测得的角度二次校形后无法保证弯管的质量，因此需要返厂，按照装配需求重新定工艺来生产弯管。
在本实施例中，实际测得的二次校形角度(60.80°)小于校形极限角度(60.95°)，表示可以校形，因此本实施例可按60.80°对弯曲导管进行二次校形。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，包括以下步骤：
步骤一、根据航空导管弯曲成形的生产工艺，通过有限元仿真导管弯曲的成形过程，最终得到成形后的有限元分析结果文件，所述有限元分析结果文件包括导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场；
步骤二、从所述有限元分析结果文件中提取导管的空间几何参数，并计算得到导管的实际弯曲角度；
步骤三、通过比较导管的实际弯曲角度和实际装配时测量得到的二次校形角度，选择相应的校形方式：若实际弯曲角度小于二次校形角度，属于成形不足，则选择正向校形方式，继续增大导管的弯曲角度；若实际弯曲角度大于二次校形角度，属于成形过度，则选择反向校形方式，减小导管的弯曲角度；
步骤四、根据步骤三得到的校形方式设置导管校形模具；根据步骤二得到的导管空间几何参数，计算导管校形模具和导管之间的干涉量，若干涉量大于预设的允许误差值，则调整导管校形模具的位置，直到满足要求为止；
步骤五、根据校形方式设定一个粗校形角度值，以步骤一中得到的所述有限元分析结果文件的应力应变分布场、厚度分布场、节点位移场为基础，通过有限元模拟导管的校形过程，从而得到校形过程的有限元分析文件；
步骤六、提取校形过程的有限元分析文件，读取每一帧中导管的应力应变分布场、厚度分布场及节点位移场，并进行相应的转换计算，得到每一帧中的导管性能指标；
步骤七、根据装配所要求的导管性能指标，选取导管性能指标符合要求且最接近装配所要求的导管性能指标的帧作为最优帧，从而得到最优帧对应的导管弯曲角度作为校形极限角度；
步骤八、将所述校形极限角度与二次校形角度作对比，若二次校形角度小于校形极限角度，则按二次校形角度对航空导管进行二次校形；若二次校形角度大于校形极限角度，则无法按二次校形角度进行二次校形。
2.根据权利要求1所述的基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，其特征在于：步骤七完成后，还生成后处理报告，包括最优帧中导管的校形极限角度、导管性能指标、最大应力和/或最小壁厚。
3.根据权利要求1所述的基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，其特征在于：步骤六中，所述导管性能指标为导管椭圆度；所述导管椭圆度的计算方法为：沿导管轴线的切线方向建立多个横截面，每个横截面与导管的外轮廓相交均形成一个椭圆，计算每个椭圆的长、短轴直径之差与导管初始外径的比值，所有比值中的最大值即为导管椭圆度。
4.根据权利要求1所述的基于有限元的航空弯管装配时的二次校形质量校核方法，其特征在于：步骤六中，所述导管性能指标为导管壁厚减薄率；所述导管壁厚减薄率的计算方法为：根据导管的厚度分布场，提取导管的最小厚度值，所述导管壁厚减薄率=（导管初始厚度值-导管最小厚度值）/导管初始厚度值。
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