CN113076598B - 高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法 - Google Patents

高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，包括以下步骤：S1、建立高筋薄壁构件空间包络成形精度有限元预测模型；S2、确定高筋薄壁构件空间包络成形形状偏差；S3、确定高筋薄壁构件空间包络成形尺寸偏差；S4、确定高筋薄壁构件空间包络成形几何偏差。本发明中所提出的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法能够精确预测热力耦合、多变形区协调下的高筋薄壁构件空间包络成形精度，为实现高筋薄壁构件的精密成形奠定基础。

Description

高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法
技术领域
本发明涉及高筋薄壁构件成形制造技术领域，更具体地说，涉及一种高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法。
背景技术
为了提高航空航天装备的轻量化水平，在航空航天装备中广泛采一种薄壁板上分布多条纵横高筋的高筋薄壁构件，例如火箭舱体、燃料储箱、飞机机翼等均为高筋薄壁构件。高筋薄壁构件具有壁板面积大、厚度薄、筋条高且窄等几何特征，显著增大了该类构件的成形制造难度。目前高筋薄壁构件主要采用铣削、焊接、铆接等工艺制造，不仅制造效率低、成本高，而且难以获得高性能高筋薄壁构件。空间包络成形工艺是通过包络模的空间包络运动和凹模的进给运动对构件进行连续局部包络辗压变形，从而实现复杂构件整体塑性成形的先进制造工艺。该工艺能够显著降低成形载荷和提高金属填充能力，特别适用于成形高筋薄壁构件。
在高筋薄壁构件空间包络成形过程中，包络模对构件进行连续多道次局部辗压，该过程是一个热力耦合、多变形区协调的非对称、非稳态、非线性、时变、三维复杂不均匀变形过程。在复杂不均匀变形条件下，包络模具的弹性变形和热膨胀变形、锻件脱模后回弹变形和冷却收缩变形均十分不均匀，使得高筋薄壁构件空间包络成形精度预测十分困难。为了实现高筋薄壁构件高性能、高精度、低成本制造，亟待建立高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法。目前尚无关于高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法的相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，包括以下步骤：
S1、建立高筋薄壁构件空间包络成形精度有限元预测模型；
S2、确定高筋薄壁构件空间包络成形形状偏差；
S3、确定高筋薄壁构件空间包络成形尺寸偏差；
S4、确定高筋薄壁构件空间包络成形几何偏差。
上述方案中，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、建立高筋薄壁构件空间包络成形几何模型：以高筋薄壁构件底板上表面中心O为坐标原点，底板上表面法线为z轴，过点O且平行于一条高筋的直线为x轴，建立高筋薄壁构件坐标系Oxyz；在坐标系Oxyz中，以点O为基准，将高筋薄壁构件等比例放大(T0-20)×g倍，获得高筋薄壁构件热锻件，其中g为高筋薄壁构件材料热膨胀系数，T0为高筋薄壁构件热锻件温度；将热锻件高筋型面点集F(x,y,z)按向量
Figure BDA0003020557480000022
进行偏移，向量
Figure BDA0003020557480000023
由方程(1)计算所得；以偏移后的点集为基准，构建高筋薄壁构件空间包络成形包络模；用于成形热锻件外型面的凹模型腔尺寸与热锻件外型面尺寸一致；用于高筋薄壁构件空间包络成形的坯料为板坯，板坯的截面形状与热锻件底板截面形状一致，将板坯置入凹模型腔后，板坯整个周向型面与凹模型腔发生全周接触；
Figure BDA0003020557480000021
其中，δ为包络模圆锥角；
S12、建立模具与板坯预热变形有限元模型：在步骤S11所设计的几何模型基础上，赋予包络模、凹模和板坯相应的热膨胀材料参数和预热温度参数；将包络模和凹模设置为弹性体，板坯设置为弹塑性体；选定包络模锥顶点、凹模型腔底面中心和板坯底面中心为预热变形基准点，在预热变形基准点上设置3个平动自由度约束和3个转动自由度约束，确保预热变形基准点不发生空间平动和转动；以预热变形基准点为参考，通过有限元模拟计算预热变形所致包络模、凹模和板坯的节点位移量；
S13、建立高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型：根据步骤S12所得包络模、凹模和板坯预热变形后的节点位移量，建立预热变形后的包络模、凹模和板坯几何模型；以板坯上表面中心O0处法线为z0轴，平行与板坯一条直边为x0轴建立坐标系O0 x0 y0z0，将包络模锥顶点、凹模型腔底面中心移动至z0轴上，沿z0轴由上向下方向依次安装包络模、板坯和凹模，凹模型腔底面与板坯下表面接触，包络模锥顶点与板坯上表面接触；以包络模锥顶点为参考点，将包络模向x0方向偏转角度(π-δ)/2，确保包络模型面与板坯上表面发生线接触；将包络模和凹模设置为刚性体，板坯设置为刚塑性体，将步骤S12中包络模、凹模和板坯的节点温度值嵌入到高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型中，并在包络模与板坯间、凹模与板坯间设置热交换条件和摩擦条件；在包络模上绕x0轴施加旋转运动ωx，绕y0轴施加旋转运动ωy，ωx和ωy由公式(2)计算所得，ωx和ωy的合成运动即为包络模的包络运动；在凹模上绕x0，y0，z0轴施加旋转约束，沿x0，y0轴施加平移约束，仅允许凹模沿z0轴作平动；在包络模和凹模的共同作用下，板坯发生连续局部塑性变形，获得高筋薄壁预锻件；
Figure BDA0003020557480000031
其中，c为空间包络成形装备偏心套偏心距，ω为空间包络成形装备的偏心套转速，L为空间包络成形装备转轴长度，t为空间包络成形时间；
S14、建立高筋薄壁构件包络精整弹塑性有限元模型：将步骤S13高筋薄壁构件空间包络成形包络模和凹模作为精整包络模和精整凹模，将步骤S13所得高筋薄壁预锻件作为精整预锻件；将步骤S13最终时刻包络模和凹模节点温度值导出并嵌入到精整包络模和精整凹模中，精整包络模和精整凹模设置为弹性体；将步骤S13所得高筋薄壁预锻件节点温度值和节点应力值导出并嵌入到精整预锻件中，精整预锻件设置为弹塑性体；精整包络模按步骤S13中公式(2)作包络运动，精整凹模沿x、y、z轴的3个平动自由度和绕x、y、z轴旋转的3个转动自由度全部被约束，使精整凹模保持静止；通过有限元模拟精整预锻件弹塑性变形、精整包络模弹性变形和热膨胀变形以及精整凹模弹性变形和热膨胀变形，获得耦合了精整包络模弹性变形和热膨胀变形、精整凹模弹性变形和热膨胀变形的高筋薄壁精整锻件；
S15、建立高筋薄壁精整锻件脱模后回弹变形有限元模型：在步骤S14有限元仿真结果的基础上，基于高筋薄壁精整锻件节点位移量，构建回弹预锻件；将步骤S14所得高筋薄壁精整锻件节点温度值和节点应力值导出并嵌入到回弹变形预锻件中，并将其设置为弹塑性体；在回弹变形预锻件底板上表面中心区域选取基准网格单元，在该基准网格单元上施加沿x、y、z轴平动自由度约束和绕x、y、z轴转动自由度约束，其余网格单元不施加任何约束；解除精整包络模和精整凹模对回弹变形预锻件的约束，通过有限元法重新计算各节点间应力平衡关系，求解应力重新平衡后各节点位移量，获得高筋薄壁精整锻件脱模后的回弹锻件；
S16、建立高筋薄壁锻件脱模后冷却收缩有限元模型：在步骤S15高筋薄壁锻件脱模后回弹变形有限元仿真结果的基础上，根据回弹变形锻件各节点位移量，构建冷却收缩预锻件；将步骤S15模拟所得回弹变形锻件节点温度值和节点应力值嵌入到冷却收缩预锻件中，并将其设置为弹塑性体；在冷却收缩预锻件的底板上表面中心区域选取基准网格单元，在该基准网格单元上添加沿x、y、z轴平动自由度约束和绕x、y、z轴转动自由度约束，其余网格单元不添加任何约束；在冷却收缩锻件初始模型内赋值锻件材料导热参数，在冷却收缩预锻件表面设置与空气间的界面传热参数和冷却收缩锻件材料热辐射参数；通过有限元法计算各节点上温度变化量和应力变化量，求解因各节点温度和应力变化所致的冷却收缩变形量，获得冷却至室温的冷却收缩锻件。
上述方案中，在所述步骤S2中，以步骤S16所得冷却收缩锻件底板上表面中心O1为坐标原点，O1处底板上表面法线为z1轴，过点O1且平行于一条高筋的直线为x1轴，建立冷却收缩锻件坐标系O1x1y1z1，该高筋与步骤S11中建立坐标系Oxyz时所选高筋一致；在坐标系O1x1y1z1内采用锥面方程(3)对冷却收缩锻件底板上表面节点进行锥面回归拟合，获得冷却收缩锻件底板锥面，将方程(3)系数b带入方程(4)，求得冷却收缩锻件底板锥面锥角α；
Figure BDA0003020557480000051
α＝2arccotb (4)
其中，(0,0,a)为冷却收缩锻件底板锥面锥顶点坐标；
在步骤S11所建立的坐标系Oxyz内，过高筋薄壁构件任意节点F和z轴建立截面FOz，过点O作截面FOz法线l，以l为旋转轴，将节点F向z轴正方向旋转角度β＝(π-α)/2，获得点F1，
Figure BDA0003020557480000052
即为高筋薄壁构件节点F处形状偏差；设任意节点F所在高筋薄壁构件型面方程为Ax+By+Cz+D＝0，F处形状偏差s可由公式(5)计算所得；
Figure BDA0003020557480000053
上述方案中，在所述步骤S3中，将步骤S11中所建立的高筋薄壁构件坐标系Oxyz和步骤S2中所建立的冷却收缩锻件坐标系O1x1y1z1重合；根据方程(6)计算步骤S2中任意节点F1处型面法向量
Figure BDA0003020557480000061
确定法向量
Figure BDA0003020557480000062
与冷却收缩锻件距离最短的交点F2，获得高筋薄壁构件尺寸偏差
Figure BDA0003020557480000063
Figure BDA0003020557480000064
上述方案中，在所述步骤S4中，在高筋薄壁构件坐标系Oxyz内，将步骤S2所得形状偏差和步骤S3所得尺寸偏差按照公式(7)进行叠加，即可获得高筋薄壁构件任意节点F处的几何偏差e；
Figure BDA0003020557480000065
上述方案中，在步骤S14高筋薄壁构件包络精整成形中，包络模必须完成至少2个周期的包络运动。
上述方案中，步骤S2中冷却收缩锻件底板锥面拟合原则为：冷却收缩锻件底板上表面所有节点到拟合锥面距离平均值最小。
实施本发明的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，具有以下有益效果：
1、本发明提出的高筋薄壁构件空间包络成形有限元预测模型是根据高筋薄壁构件空间包络成形不同工序间变形场量传递关系所建立，该成形精度预测模型能够准确模拟仿真高筋薄壁构件空间包络成形过程中模具弹性变形、模具热膨胀变形、锻件脱模后回弹变形和锻件冷却收缩变形，能够获得精确的冷却收缩锻件；
2、本发明提出采用形状偏差、尺寸偏差和几何偏差作为高筋薄壁构件空间包络成形精度评价指标，能够更直观准确的衡量高筋薄壁构件空间包络成形精度；
3、本发明中所提出的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法能够精确预测热力耦合、多变形区协调下的高筋薄壁构件空间包络成形精度，为实现高筋薄壁构件的精密成形奠定基础。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是高筋薄壁构件坐标系示意图；
图2是高筋薄壁构件空间包络成形模具设计示意图；
图3是模具与板坯预热变形有限元模型示意图；
图4是高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型示意图；
图5是高筋薄壁精整锻件脱模后回弹变形有限元模型示意图；
图6是冷却收缩锻件底板拟合锥面示意图；
图7是高筋薄壁锻件形状偏差示意图；
图8是高筋薄壁锻件尺寸偏差示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，在本发明的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法第一实施例中，包括以下步骤：
(1)建立高筋薄壁构件空间包络成形几何模型：以高筋薄壁构件底板上表面中心O为坐标原点，底板上表面法线为z轴，过点O且平行于一条高筋的直线为x轴，建立高筋薄壁构件坐标系Oxyz，如图1所示。在坐标系Oxyz中，以点O为基准，根据高筋薄壁构件材料热膨胀系数g＝2.2×10-5/℃，高筋薄壁构件热锻件温度T0＝450℃，将高筋薄壁构件等比例放大(T0-20)×g＝0.00946倍，获得高筋薄壁构件热锻件，其中；将热锻件高筋型面点集F(x,y,z)按向量
Figure BDA0003020557480000082
进行偏移，向量
Figure BDA0003020557480000083
由方程(1)计算所得；以偏移后的点集为基准，构建高筋薄壁构件空间包络成形包络模，如图2所示。用于成形热锻件外型面的凹模型腔尺寸与热锻件外型面尺寸一致，如图2所示。用于高筋薄壁构件空间包络成形的坯料为板坯，板坯的截面形状与热锻件底板截面形状一致，将板坯置入凹模型腔后，板坯整个周向型面与凹模型腔发生全周接触。
Figure BDA0003020557480000081
其中包络模圆锥角δ＝177°。
(2)建立模具与板坯预热变形有限元模型：在步骤(1)所设计的几何模型基础上，设置包络模、凹模材料为H13模具钢，板坯材料为2024铝合金，赋予包络模、凹模和板坯相应材料的热膨胀材料参数。设置包络模和凹模的初始温度为300℃，板坯初始温度为450℃。将包络模和凹模设置为弹性体，板坯设置为弹塑性体；选定包络模锥顶点、凹模型腔底面中心和板坯底面中心为预热变形基准点，如图3所示。在预热变形基准点上设置3个平动自由度约束和3个转动自由度约束，确保预热变形基准点不发生空间平动和转动；以预热变形基准点为参考，通过有限元模拟计算预热变形所致包络模、凹模和板坯的节点位移量。
(3)建立高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型：根据步骤(2)所得包络模、凹模和板坯预热变形后的节点位移量，建立预热变形后的包络模、凹模和板坯几何模型。以板坯上表面中心O0处法线为z0轴，平行与板坯一条直边为x0轴建立坐标系O0 x0 y0z0，将包络模锥顶点、凹模型腔底面中心移动至z0轴上，沿z0轴由上向下方向依次安装包络模、板坯和凹模，凹模型腔底面与板坯下表面接触，包络模锥顶点与板坯上表面接触。以包络模锥顶点为参考点，将包络模向x0方向偏转角度1.5°，确保包络模型面与板坯上表面发生线接触。将包络模和凹模设置为刚性体，板坯设置为刚塑性体，将包络模和凹模设置为刚性体，板坯设置为刚塑性体，将步骤(2)中包络模、凹模和板坯的节点温度值嵌入到高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型中，并在包络模与板坯间、凹模与板坯间设置热交换系数为11kW/(m2℃)，剪切摩擦因子为0.2。在包络模上绕x0轴施加旋转运动ωx，绕y0轴施加旋转运动ωy，ωx和ωy由公式(2)计算所得，ωx和ωy的合成运动即为包络模的包络运动。在凹模上绕x0，y0，z0轴施加旋转约束，沿x0，y0轴施加平移约束，仅允许凹模沿z0轴作平动。图4为高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型示意图。在包络模和凹模的共同作用下，板坯发生连续局部塑性变形，获得高筋薄壁预锻件。
Figure BDA0003020557480000091
其中，空间包络成形装备偏心套偏心距c＝10.5mm，空间包络成形装备的偏心套转速ω＝25.12rad/s，空间包络成形装备转轴长度L＝802.2mm，t为空间包络成形时间。
(4)建立高筋薄壁构件包络精整弹塑性有限元模型：将步骤(3)高筋薄壁构件空间包络成形包络模和凹模作为精整包络模和精整凹模，将步骤S13所得高筋薄壁预锻件作为精整预锻件；将步骤S13最终时刻包络模和凹模节点温度值导出并嵌入到精整包络模和精整凹模中，精整包络模和精整凹模设置为弹性体；将步骤(3)所得高筋薄壁预锻件节点温度值和节点应力值导出并嵌入到精整预锻件中，精整预锻件设置为弹塑性体；精整包络模按步骤(3)中公式(2)完成3个周期的包络运动，精整凹模沿x、y、z轴的3个平动自由度和绕x、y、z轴旋转的3个转动自由度全部被约束，使精整凹模保持静止；通过有限元模拟精整预锻件弹塑性变形、精整包络模弹性变形和热膨胀变形以及精整凹模弹性变形和热膨胀变形，获得耦合了精整包络模弹性变形和热膨胀变形、精整凹模弹性变形和热膨胀变形的高筋薄壁精整锻件。
(5)建立高筋薄壁精整锻件脱模后回弹变形有限元模型：在步骤S14有限元仿真结果的基础上，基于高筋薄壁精整锻件节点位移量，构建回弹预锻件。将步骤(4)所得高筋薄壁精整锻件节点温度值和节点应力值导出并嵌入到回弹变形预锻件中，并将其设置为弹塑性体。在回弹变形预锻件底板上表面中心区域选取基准网格单元，在该基准网格单元上施加沿x、y、z轴平动自由度约束和绕x、y、z轴转动自由度约束，其余网格单元不施加任何约束，如图5所示。解除精整包络模和精整凹模对回弹变形预锻件的约束，通过有限元法重新计算各节点间应力平衡关系，求解应力重新平衡后各节点位移量，获得高筋薄壁精整锻件脱模后的回弹锻件。
(6)建立高筋薄壁锻件脱模后冷却收缩有限元模型：在步骤(5)高筋薄壁锻件脱模后回弹变形有限元仿真结果的基础上，根据回弹变形锻件各节点位移量，构建冷却收缩预锻件。将步骤(5)模拟所得回弹变形锻件节点温度值和节点应力值嵌入到冷却收缩预锻件中，并将其设置为弹塑性体。在冷却收缩预锻件的底板上表面中心区域选取基准网格单元，在该基准网格单元上添加沿x、y、z轴平动自由度约束和绕x、y、z轴转动自由度约束，其余网格单元不添加任何约束。在冷却收缩锻件初始模型内赋值锻件材料导热参数，在冷却收缩预锻件表面设置与空气间的界面传热参系数为1kW/(m2℃)和冷却收缩锻件材料热辐射率为0.7。通过有限元法计算各节点上温度变化量和应力变化量，求解因各节点温度和应力变化所致的冷却收缩变形量，获得冷却至室温的冷却收缩锻件。
(7)确定高筋薄壁构件空间包络成形形状偏差：以步骤(6)所得冷却收缩锻件底板上表面中心O1为坐标原点，O1处底板上表面法线为z1轴，过点O1且平行于一条高筋的直线为x1轴，建立冷却收缩锻件坐标系O1x1y1z1，如图6所示，该高筋与步骤(1)中建立坐标系Oxyz时所选高筋一致；在坐标系O1x1y1z1内采用锥面方程(3)对冷却收缩锻件底板上表面节点进行锥面回归拟合，获得冷却收缩锻件底板锥面，拟合所得方程系数为a＝0.23，b＝0.024。冷却收缩锻件底板锥面拟合原则为：冷却收缩锻件底板上表面所有节点到拟合锥面距离平均值最小。将方程(3)系数b带入方程(4)，求得冷却收缩锻件底板锥面锥角α＝177.2°；
Figure BDA0003020557480000111
α＝2 a r c c o (4)
在步骤(1)所建立的坐标系Oxyz内，过高筋薄壁构件任意节点F和z轴建立截面FOz，过点O作截面FOz法线l，以l为旋转轴，将节点F向z轴正方向旋转角度β＝(π-α)/2＝1.4°，获得点F1，
Figure BDA0003020557480000112
即为高筋薄壁构件节点F处形状偏差；以高筋薄壁构件节点F(21.84，0，10)为例，求得点F1(21.5892，0，10.5306)所在高筋薄壁构件型面方程为x-21.84＝0，F处形状偏差s可由公式(5)计算所得，s＝0.251mm。图7为高筋薄壁锻件形状偏差示意图。
Figure BDA0003020557480000113
(8)确定高筋薄壁构件空间包络成形尺寸偏差：将步骤(1)中所建立的高筋薄壁构件坐标系Oxyz和步骤S2中所建立的冷却收缩锻件坐标系O1x1y1z1重合；根据方程(6)计算步骤S2中任意节点F1处型面法向量
Figure BDA0003020557480000121
0，0.024)，确定法向量
Figure BDA0003020557480000122
与冷却收缩锻件距离最短的交点F2(21.7111，0，10.5336)，获得高筋薄壁构件尺寸偏差c＝0.122mm，如图8所示。
Figure BDA0003020557480000123
(9)确定高筋薄壁构件空间包络成形几何偏差：在高筋薄壁构件坐标系Oxyz内，将步骤(2)所得形状偏差和步骤(3)所得尺寸偏差按照公式(7)进行叠加，即可获得高筋薄壁构件任意节点F处的几何偏差e＝0.5489mm。
Figure BDA0003020557480000124
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立高筋薄壁构件空间包络成形精度有限元预测模型；
S2、确定高筋薄壁构件空间包络成形形状偏差；
S3、确定高筋薄壁构件空间包络成形尺寸偏差；
S4、确定高筋薄壁构件空间包络成形几何偏差；
所述步骤S1包括以下步骤：
S11、建立高筋薄壁构件空间包络成形几何模型：以高筋薄壁构件底板上表面中心O为坐标原点，底板上表面法线为z轴，过点O且平行于一条高筋的直线为x轴，建立高筋薄壁构件坐标系Oxyz；在坐标系Oxyz中，以点O为基准，将高筋薄壁构件等比例放大(T0-20)×g倍，获得高筋薄壁构件热锻件，其中g为高筋薄壁构件材料热膨胀系数，T0为高筋薄壁构件热锻件温度；将热锻件高筋型面点集F(x,y,z)按向量
Figure FDA0003581700670000012
进行偏移，向量
Figure FDA0003581700670000013
由方程(1)计算所得；以偏移后的点集为基准，构建高筋薄壁构件空间包络成形包络模；用于成形热锻件外型面的凹模型腔尺寸与热锻件外型面尺寸一致；用于高筋薄壁构件空间包络成形的坯料为板坯，板坯的截面形状与热锻件底板截面形状一致，将板坯置入凹模型腔后，板坯整个周向型面与凹模型腔发生全周接触；
Figure FDA0003581700670000011
其中，δ为包络模圆锥角；
S12、建立模具与板坯预热变形有限元模型：在步骤S11所设计的几何模型基础上，赋予包络模、凹模和板坯相应的热膨胀材料参数和预热温度参数；将包络模和凹模设置为弹性体，板坯设置为弹塑性体；选定包络模锥顶点、凹模型腔底面中心和板坯底面中心为预热变形基准点，在预热变形基准点上设置3个平动自由度约束和3个转动自由度约束，确保预热变形基准点不发生空间平动和转动；以预热变形基准点为参考，通过有限元模拟计算预热变形所致包络模、凹模和板坯的节点位移量；
S13、建立高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型：根据步骤S12所得包络模、凹模和板坯预热变形后的节点位移量，建立预热变形后的包络模、凹模和板坯几何模型；以板坯上表面中心O0处法线为z0轴，平行与板坯一条直边为x0轴建立坐标系O0x0y0z0，将包络模锥顶点、凹模型腔底面中心移动至z0轴上，沿z0轴由上向下方向依次安装包络模、板坯和凹模，凹模型腔底面与板坯下表面接触，包络模锥顶点与板坯上表面接触；以包络模锥顶点为参考点，将包络模向x0方向偏转角度(π-δ)/2，确保包络模型面与板坯上表面发生线接触；将包络模和凹模设置为刚性体，板坯设置为刚塑性体，将步骤S12中包络模、凹模和板坯的节点温度值嵌入到高筋薄壁构件空间包络成形刚塑性有限元模型中，并在包络模与板坯间、凹模与板坯间设置热交换条件和摩擦条件；在包络模上绕x0轴施加旋转运动ωx，绕y0轴施加旋转运动ωy，ωx和ωy由公式(2)计算所得，ωx和ωy的合成运动即为包络模的包络运动；在凹模上绕x0，y0，z0轴施加旋转约束，沿x0，y0轴施加平移约束，仅允许凹模沿z0轴作平动；在包络模和凹模的共同作用下，板坯发生连续局部塑性变形，获得高筋薄壁预锻件；
Figure FDA0003581700670000021
其中，c为空间包络成形装备偏心套偏心距，ω为空间包络成形装备的偏心套转速，L为空间包络成形装备转轴长度，t为空间包络成形时间；
S14、建立高筋薄壁构件包络精整弹塑性有限元模型：将步骤S13高筋薄壁构件空间包络成形包络模和凹模作为精整包络模和精整凹模，将步骤S13所得高筋薄壁预锻件作为精整预锻件；将步骤S13最终时刻包络模和凹模节点温度值导出并嵌入到精整包络模和精整凹模中，精整包络模和精整凹模设置为弹性体；将步骤S13所得高筋薄壁预锻件节点温度值和节点应力值导出并嵌入到精整预锻件中，精整预锻件设置为弹塑性体；精整包络模按步骤S13中公式(2)作包络运动，精整凹模沿x、y、z轴的3个平动自由度和绕x、y、z轴旋转的3个转动自由度全部被约束，使精整凹模保持静止；通过有限元模拟精整预锻件弹塑性变形、精整包络模弹性变形和热膨胀变形以及精整凹模弹性变形和热膨胀变形，获得耦合了精整包络模弹性变形和热膨胀变形、精整凹模弹性变形和热膨胀变形的高筋薄壁精整锻件；
S15、建立高筋薄壁精整锻件脱模后回弹变形有限元模型：在步骤S14有限元仿真结果的基础上，基于高筋薄壁精整锻件节点位移量，构建回弹预锻件；将步骤S14所得高筋薄壁精整锻件节点温度值和节点应力值导出并嵌入到回弹变形预锻件中，并将其设置为弹塑性体；在回弹变形预锻件底板上表面中心区域选取基准网格单元，在该基准网格单元上施加沿x、y、z轴平动自由度约束和绕x、y、z轴转动自由度约束，其余网格单元不施加任何约束；解除精整包络模和精整凹模对回弹变形预锻件的约束，通过有限元法重新计算各节点间应力平衡关系，求解应力重新平衡后各节点位移量，获得高筋薄壁精整锻件脱模后的回弹锻件；
S16、建立高筋薄壁锻件脱模后冷却收缩有限元模型：在步骤S15高筋薄壁锻件脱模后回弹变形有限元仿真结果的基础上，根据回弹变形锻件各节点位移量，构建冷却收缩预锻件；将步骤S15模拟所得回弹变形锻件节点温度值和节点应力值嵌入到冷却收缩预锻件中，并将其设置为弹塑性体；在冷却收缩预锻件的底板上表面中心区域选取基准网格单元，在该基准网格单元上添加沿x、y、z轴平动自由度约束和绕x、y、z轴转动自由度约束，其余网格单元不添加任何约束；在冷却收缩锻件初始模型内赋值锻件材料导热参数，在冷却收缩预锻件表面设置与空气间的界面传热参数和冷却收缩锻件材料热辐射参数；通过有限元法计算各节点上温度变化量和应力变化量，求解因各节点温度和应力变化所致的冷却收缩变形量，获得冷却至室温的冷却收缩锻件。
2.根据权利要求1所述的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，以步骤S16所得冷却收缩锻件底板上表面中心O1为坐标原点，O1处底板上表面法线为z1轴，过点O1且平行于一条高筋的直线为x1轴，建立冷却收缩锻件坐标系O1x1y1z1，该高筋与步骤S11中建立坐标系Oxyz时所选高筋一致；在坐标系O1x1y1z1内采用锥面方程(3)对冷却收缩锻件底板上表面节点进行锥面回归拟合，获得冷却收缩锻件底板锥面，将方程(3)系数b带入方程(4)，求得冷却收缩锻件底板锥面锥角α；
Figure FDA0003581700670000041
α＝2arccotb (4)
其中，(0,0,a)为冷却收缩锻件底板锥面锥顶点坐标；
在步骤S11所建立的坐标系Oxyz内，过高筋薄壁构件任意节点F和z轴建立截面FOz，过点O作截面FOz法线l，以l为旋转轴，将节点F向z轴正方向旋转角度β＝(π-α)/2，获得点F1，
Figure FDA0003581700670000042
即为高筋薄壁构件节点F处形状偏差；设任意节点F所在高筋薄壁构件型面方程为Ax+By+Cz+D＝0，F处形状偏差s可由公式(5)计算所得；
Figure FDA0003581700670000051
3.根据权利要求2所述的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，将步骤S11中所建立的高筋薄壁构件坐标系Oxyz和步骤S2中所建立的冷却收缩锻件坐标系O1x1y1z1重合；根据方程(6)计算步骤S2中任意节点F1处型面法向量
Figure FDA0003581700670000052
确定法向量
Figure FDA0003581700670000053
与冷却收缩锻件距离最短的交点F2，获得高筋薄壁构件尺寸偏差
Figure FDA0003581700670000054
Figure FDA0003581700670000055
4.根据权利要求3所述的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在高筋薄壁构件坐标系Oxyz内，将步骤S2所得形状偏差和步骤S3所得尺寸偏差按照公式(7)进行叠加，即可获得高筋薄壁构件任意节点F处的几何偏差e；
Figure FDA0003581700670000056
5.根据权利要求1所述的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，其特征在于，在步骤S14高筋薄壁构件包络精整成形中，包络模必须完成至少2个周期的包络运动。
6.根据权利要求2所述的高筋薄壁构件空间包络成形精度预测方法，其特征在于，步骤S2中冷却收缩锻件底板锥面拟合原则为：冷却收缩锻件底板上表面所有节点到拟合锥面距离平均值最小。
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