CN112417666A - 一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。本发明创造性地实现了基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟，大大提高了带筋壁板预应力喷丸成形效果。

Description

一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及喷丸成形技术领域，特别是涉及一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法。

背景技术

喷丸成形是金属机翼壁板的主要成形工艺之一，该技术最早由洛克希德·马丁公司的工程师杰姆·博格于20世纪40年代提出，此后多用于航空航天飞行器壁板类工件的制造。目前，自由状态喷丸成形技术已经在我国ARJ21、C919等飞机壁板类工件的制造中成功获得应用。

现阶段喷丸成形工艺参数的确定主要依靠试验和经验，试验量大、周期长、效率低、成本高；因此喷丸成形数值模拟应运而生，喷丸成形数值模拟主要有温度场法和应力场法等。温度场法依据等效变形原则通过试验建立温度场与喷丸工艺参数之间的对应关系，若零件截面形状和受力状态改变，需要重新试验、建立新的对应关系。应力场法通过模拟多弹丸撞击过程获得应力场，避免了为建立应力场与喷丸工艺参数间关系的试验；同时应力场法由于引入了真实的喷丸应力比温度场更接近实际喷丸状态。在应力场法中，建立起准确的喷丸模拟参数即喷丸指标弹坑直径、弹丸速度及覆盖率与试验工艺参数间的关系模型至关重要，并直接影响到后续模拟的准确性和精确度。

目前关于喷丸指标与喷丸试验工艺参数之间关系的研究主要针对直径在1mm以下的喷丸强化小弹丸，不适用喷丸成形中的大尺寸弹丸。预应力喷丸成形数值模拟的研究对象主要集中在平板件，针对带筋整体壁板预应力喷丸成形数值模拟的研究还未见报道。同时，目前应力场法模拟思路及方法无法将模拟参数与工艺参数建立关联，导致该方法只能进行定性模拟，还无法对带筋整体壁板预应力喷丸成形进行定量模拟，造成在现阶段具有复杂带筋整体壁板的型号研制中较难应用。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，包括建立喷丸工艺参数与喷丸模拟参数的关联模型、多弹丸撞击模型和反弯曲应力场法模拟模型，可以准确实现带筋壁板的预应力喷丸成形数值模拟。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，所述带筋壁板包括筋件和壁板，所述数值模拟方法包括如下步骤：

步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；

步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；

步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。

进一步地，所述关联模型的建立过程包括：选取不少于一个喷丸工艺参数，通过均匀试验方法，建立喷丸工艺参数与喷丸模拟参数间的二阶响应面模型。

进一步地，所述喷丸工艺参数包括：喷丸气压、进给速度和弹丸流量。

进一步地，所述喷丸应力场的模拟参数包括：弹坑直径、弹丸速度及覆盖率。

进一步地，所述多弹丸撞击模型的建立方法包括：

通过自定义场分布函数施加线性分布的面力以代表预应力，施加预应力后约束模型两个侧面及底面的所有自由度；

弹丸与模型间的接触算法为罚函数法，接触摩擦系数取为0.05，通过预定义场更改多弹丸撞击的弹丸速度模拟参数；所建模型对应的覆盖率范围为0％-80％，利用响应面模型计算出覆盖率的模拟参数，然后对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划。

进一步地，所述步骤二还包括：对所有路径上同一厚度处的路径节点应力求平均值，即为相应工艺参数下该厚度处的诱导应力值；沿模型厚度方向，各个厚度处及其诱导应力值构成相应工艺参数下的诱导应力场。

进一步地，选用大型有限元软件Abaqus进行多弹丸撞击的有限元模拟。

进一步地，所述反弯曲应力场法模拟模型的建立过程包括：

(1)首先对带筋壁板的筋件进行弹性预弯，计算出出截面内的预弯应力，固定约束除喷丸面以外的所有表面；

(2)进行单面喷丸，此时带筋壁板的筋件截面内的应力分布即为预弯状态下的喷丸诱导应力；

(3)通过多弹丸撞击模型，获得与带筋壁板的筋件喷丸区域具有相同工艺参数的模拟诱导应力以代表筋件实际诱导应力，获取喷丸塑性层平均厚度，并采用两种不同弹性模量材料组合梁的中性层位置计算公式计算偏移后的中性层位置：

式中：y_n为中性层位置；E₁和E₂分别为两种异质材料的弹性模量，分别对应拉伸曲线弹性段和塑形段的斜率；A₁和A₂分别为各材料截面积；

和

分别为两种材料截面形心位置；

(4)以上述预应力状态下喷丸成形之后的筋件的应力状态为初始应力状态，即内部应力全部为0，以偏移后的中性层为弯曲轴，对该筋件反向弯曲至平直状态，计算出考虑中性层移动的截面应力变化值；

(5)将上述诱导应力赋予带筋壁板的筋壁单元，实现带筋壁板预应力喷丸成形反弯曲应力场法数值模拟。

进一步地，反弯曲过程以后，截面上的应力由多弹丸撞击产生的诱导应力、反弯曲应力及中性层不一致产生的额外应力三部分代数和组成。

(3)有益效果

本发明建立了一种能够更改覆盖率、弹丸速度、预应力、厚度、受喷材料种类等的多弹丸撞击模型，并可以运用软件后处理过程进行二次开发，编程提取多弹丸撞击模型沿厚度方向的诱导应力、残余应力、等效应变等值；并通过均匀试验方法，对带筋壁板进行喷丸试验，建立弹坑直径、弹丸速度、覆盖率与喷丸气压、弹丸流量、进给速度间的响应面模型，创造性地实现了基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟，大大提高了带筋壁板预应力喷丸成形效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种典型结构的带筋壁板的结构示意图。

图2是一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法的流程图。

图3是本发明一实施例中利用ABAQUS软件建立多弹丸撞击模型的模型图。

图4是本发明一实施例中多弹丸撞击模型中对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划图。

图5是本发明一实施例中多弹丸撞击模型中对模型厚度方向提取诱导应力的示意图。

图6-1～图6-4是本发明一实施例中反弯曲应力场法模拟模型的建立过程示意图。

图7是本发明一实施例中整体壁板零件的数值模拟结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，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。

下面将参照附图1-附图7并结合实施例来详细说明本申请。

在介绍本发明实施例的带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法前，首先参阅附图1所示的带筋壁板的具体结构。附图1中，带筋壁板一般包括筋件和壁板，筋件截面为T形结构，其可以设有多个，多个筋件设置在壁板的一面，且壁板可以为大曲率双凸外形的曲面板，当然带筋壁板的结构并不仅限于附图1所示，只要由带筋和壁板组成的结构都属于带筋壁板。

参阅附图2所示，本发明实施例的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，可以包括如下步骤：

步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；

步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；

步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。

在本发明实施例中，首先，建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型，相当于建立喷丸应力场与喷丸工艺参数之间的关联模型，可以实现对带筋壁板预应力喷丸成形的定性模拟。其次，建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力，从而可以获得带筋壁板的模型在多弹丸撞击模型下的喷丸诱导应力，为带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型提供必要的喷丸诱导应力数据。最后，建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，是依据带筋壁板的具体结构特征，如大曲率双凸外形或者弯曲的壁板结构等结合喷丸工艺参数与喷丸模拟参数的关联模型，建立基于应变中性层内移的反弯曲应力场法有限元模型，以适用于带筋整体壁板预应力喷丸成形高精度数值模拟。

综上所示，本发明实施例所示的带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法可用于定量对带筋壁板预应力喷丸成形的数值进行模拟，大大提高了带筋壁板的喷丸成形效果。

进一步地，根据本发明的又一个实施例，上述的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型的建立过程包括：选取不少于一个喷丸工艺参数，通过均匀试验方法，建立喷丸工艺参数与喷丸应力场的模拟参数间的二阶响应面模型。选择不少一个喷丸工艺参数可以提高模拟的准确度，且通过均匀试验方法，可以非常方便地实现基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟。

具体地，上述实施例中喷丸工艺参数可以包括：喷丸气压、进给速度和弹丸流量。喷丸气压、进给速度和弹丸流量是喷丸工艺中的主要参数，选择喷丸气压、进给速度和弹丸流量建立喷丸工艺参数与喷丸应力场的模拟参数可以更加准确地模拟出带筋壁板预应力喷丸成形的数值。

具体地，上述实施例中，喷丸模拟参数可以包括：弹坑直径、弹丸速度及覆盖率。弹坑直径、弹丸速度及覆盖率是获得喷丸应力场的主要模拟参数，选择弹坑直径、弹丸速度及覆盖率作为喷丸应力场的模拟参数可以更加准确地模拟出带筋壁板预应力喷丸成形的数值。

进一步地，根据本发明的另一个实施例，多弹丸撞击模型的建立方法包括：通过自定义场分布函数施加线性分布的面力以代表预应力，施加预应力后约束模型两个侧面及底面的所有自由度；弹丸与模型间的接触算法为罚函数法，接触摩擦系数取为0.05，通过预定义场更改多弹丸撞击的弹丸速度模拟参数；所建模型对应的覆盖率范围为0％-80％，利用响应面模型计算出覆盖率的模拟参数，然后对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划。

具体地，在本发明实施例中的多弹丸撞击模型的建立方法中，参阅附图3所示，可以利用ABAQUS软件建立多弹丸撞击模型，通过自定义场分布函数施加线性分布的面力以代表预应力，施加预应力后约束模型两个侧面及底面的所有自由度。弹丸与模型间的接触算法为罚函数法，接触摩擦系数取为0.05，通过预定义场更改多弹丸撞击模拟参数——弹丸速度。所建模型对应的覆盖率范围为0-80％，利用响应面模型计算出模拟参数——覆盖率，然后对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划。如图附图4所示，圆圈代表弹坑，其中数字代表弹丸的编号及撞击模型的次序，弹坑直径响应面模型计算。为获得精确覆盖率值，在附图4基准位置的基础上，3、4、5和6号弹丸可以沿中位线向内外移动，7、8、9和10号可以沿对角线向内外移动。同时，在弹丸撞击结束，可以利用Python语言，对ABAQUS后处理进行二次开发，创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力，见附图5所示，可以对所有路径上同一厚度处的节点应力求平均值，即为相应工艺参数下该厚度处的诱导应力值；沿模型厚度方向，各个厚度处及其诱导应力值构成相应工艺参数下的诱导应力场。

进一步地，根据本发明的又一个实施例，参阅附图6-1～图6-4所示，所述反弯曲应力场法模拟模型的建立过程包括：

S1：首先对带筋壁板的筋件进行弹性预弯，计算出出截面内的预弯应力，固定约束除喷丸面以外的所有表面，参阅附图6-1；

S2：进行单面喷丸，此时带筋壁板的筋件截面内的应力分布即为预弯状态下的喷丸诱导应力，参阅附图6-1；

S3：通过多弹丸撞击模型，获得与带筋壁板的筋件喷丸区域具有相同工艺参数的模拟诱导应力以代表筋件实际诱导应力，获取喷丸塑性层平均厚度，并采用两种不同弹性模量材料组合梁的中性层位置计算公式计算偏移后的中性层位置：

式中：y_n为中性层位置；E₁和E₂分别为两种异质材料的弹性模量，分别对应拉伸曲线弹性段和塑形段的斜率；A₁和A₂分别为各材料截面积；

和

分别为两种材料截面形心位置，参阅附图6-2；

S4：以上述预应力状态下喷丸成形之后的筋件的应力状态为初始应力状态，即内部应力全部为0，以偏移后的中性层为弯曲轴，对该筋件反向弯曲至平直状态，计算出考虑中性层移动的截面应力变化值，参阅附图6-3；

S5：将上述诱导应力赋予带筋壁板的筋壁单元，实现带筋壁板预应力喷丸成形反弯曲应力场法数值模拟，参阅附图6-4。

步骤S3中，由式(1)可以计算出在喷丸结束后图6-2截面中性层位置。步骤S4中，筋件反向弯曲至平直状态可以见图6-3所示，计算出考虑中性层移动的截面应力变化值。

此外，由于反弯曲轴和实际应变中性轴不重叠，导致反弯曲应力场法模拟的筋件截面内产生额外应力。因此反弯曲过程以后，截面上的应力由多弹丸撞击产生的诱导应力和反弯曲应力及中性层不一致产生的额外应力三部分代数和组成。同时，利用式(1)计算的中性层位置是带筋壁板喷丸之后仍在约束状态下的中性层位置，仅为模拟所用。但是，反向弯曲方法可以方便地赋予诱导应力，有利于带筋整体壁板喷丸变形数值模拟。

综上所述，本发明实施例提出了建立能够更改覆盖率、弹丸速度、预应力、厚度、受喷材料种类等的多弹丸撞击模型，并可以运用Python语言对ABAQUS软件后处理过程进行二次开发，编程提取多弹丸撞击模型沿厚度方向的诱导应力、残余应力、等效应变等值。并通过均匀试验方法，对带筋壁板进行喷丸试验，建立弹坑直径、弹丸速度、覆盖率与喷丸气压、弹丸流量、进给速度间的响应面模型，实现基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟。

下面再以一个具体的实例来说明本发明。

本实施例中的带筋壁板是选用如附图1所示的带有2024-T351铝合金材质、六条平行T型立筋的整体壁板零件，该壁板零件具有薄壁高筋结构特征、双凸型外型特征，展向曲率大，展弦向变形协调复杂等成形难点，喷丸成形后壁板变形情况对中央翼装配具有重要影响。

步骤1：建立喷丸工艺参数与模拟参数间的关联模型

针对2024-T351铝合金的整体壁板零件，利用直径3.18mm大尺寸弹丸，通过均匀试验方法，建立喷丸模拟参数即弹坑直径D、弹丸速度V及覆盖率C与工艺参数即喷丸气压p、进给速度s和弹丸流量q间的二阶响应面模型如下所示：

D＝1.04767-0.0106975q+1.02428p² (2)

V＝26.2273-0.538814q+52.5117p² (3)

C＝135.832-245.405p-4.47563s-6.66579q+20.462pq (4)

步骤2：生成带筋整体壁板壳模型

根据壁板设计数模进行工艺分析，规划出喷丸区域、喷丸参数等工艺参数，并运用catia软件生成带筋整体壁板壳模型。

步骤3：建立多弹丸撞击有限元模型

根据工艺参数运用响应面模型计算出模拟参数，建立多弹丸撞击模型，撞击模拟结束后应用Editplus编辑器作为python语言的开发工具，编写python源代码，并保存为.py脚本文件，最后在ABAQUS/CAE中运行脚本文件。程序主要实现两个功能，一是创建路径，另一个是提取路径上的诱导应力。

步骤4：反弯曲应力场法模拟模型

通过提取多弹丸撞击模型塑性层厚度，计算出移动后的中性层位置，结合提取出的预应力方向的诱导应力进行反弯曲计算，获得平直状态下壁板内部的诱导应力。将诱导应力赋予带筋壁板壳单元，实现带筋壁板预应力喷丸成形数值模拟，整体壁板零件产生双凸型变形结果，参阅附图7。

从上述实施例可知，本发明提出的带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法可以提取多弹丸撞击模型沿厚度方向的诱导应力、残余应力、等效应变等值；通过均匀试验方法，对带筋壁板进行喷丸试验，建立弹坑直径、弹丸速度、覆盖率与喷丸气压、弹丸流量、进给速度间的响应面模型，创造性地实现了基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟，大大提高了带筋壁板预应力喷丸成形效果。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，所述带筋壁板包括筋件和壁板，其特征在于，所述数值模拟方法包括如下步骤：

步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；

步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；

步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。

2.根据权利要求1所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述关联模型的建立过程包括：选取不少于一个喷丸工艺参数，通过均匀试验方法，建立喷丸工艺参数与喷丸模拟参数间的二阶响应面模型。

3.根据权利要求2所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述喷丸工艺参数包括：喷丸气压、进给速度和弹丸流量。

4.根据权利要求2或3所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述喷丸应力场的模拟参数包括：弹坑直径、弹丸速度及覆盖率。

5.根据权利要求1所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述多弹丸撞击模型的建立方法包括：

通过自定义场分布函数施加线性分布的面力以代表预应力，施加预应力后约束模型两个侧面及底面的所有自由度；

弹丸与模型间的接触算法为罚函数法，接触摩擦系数取为0.05，通过预定义场更改多弹丸撞击的弹丸速度模拟参数；所建模型对应的覆盖率范围为0％-80％，利用响应面模型计算出覆盖率的模拟参数，然后对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划。

6.根据权利要求5所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤二还包括：对所有路径上同一厚度处的路径节点应力求平均值，即为相应工艺参数下该厚度处的诱导应力值；沿模型厚度方向，各个厚度处及其诱导应力值构成相应工艺参数下的诱导应力场。

7.根据权利要求1或5所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，选用大型有限元软件Abaqus进行多弹丸撞击的有限元模拟。

8.根据权利要求1所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述反弯曲应力场法模拟模型的建立过程包括：

S1：首先对带筋壁板的筋件进行弹性预弯，计算出出截面内的预弯应力，固定约束除喷丸面以外的所有表面；

S2：进行单面喷丸，此时带筋壁板的筋件截面内的应力分布即为预弯状态下的喷丸诱导应力；

S3：通过多弹丸撞击模型，获得与带筋壁板的筋件喷丸区域具有相同工艺参数的模拟诱导应力以代表筋件实际诱导应力，获取喷丸塑性层平均厚度，并采用两种不同弹性模量材料组合梁的中性层位置计算公式计算偏移后的中性层位置：

式中：y_n为中性层位置；E₁和E₂分别为两种异质材料的弹性模量，分别对应拉伸曲线弹性段和塑形段的斜率；A₁和A₂分别为各材料截面积；

和

分别为两种材料截面形心位置；

S4：以上述预应力状态下喷丸成形之后的筋件的应力状态为初始应力状态，即内部应力全部为0，以偏移后的中性层为弯曲轴，对该筋件反向弯曲至平直状态，计算出考虑中性层移动的截面应力变化值；

S5：将上述诱导应力赋予带筋壁板的筋壁单元，实现带筋壁板预应力喷丸成形反弯曲应力场法数值模拟。

9.根据权利要求8所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，反弯曲过程以后，截面上的应力由多弹丸撞击产生的诱导应力、反弯曲应力及中性层不一致产生的额外应力三部分代数和组成。

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