CN113297758A - 一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，包括，基于UG三维建模软件对毛坯进行参数化建模；基于Deform‑3D有限元模拟软件设置预锻成型边界条件及构建有限元模型；结合响应面优化方法，设计响应面方案，构建响应面模型；采用极值求解方法确定坯料形状尺寸，通过Deform‑3D有限元模拟模拟验证，再通过物理模拟实验验证优化结果。本发明能够达到优化初始毛坯各关键尺寸以及提高优化效率，可以克服当前预锻成形过程中常见的填充不满、折叠及成形载荷过大等诸多缺陷，并为类似大型复杂构件预锻成形工艺的制定提供参考。

Description

一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法
技术领域
本发明涉及飞机大型隔框预锻成形优化方法技术领域，具体涉及一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法。
背景技术
由于钛合金在成形过程中变形抗力大，材料流动困难，而这种复杂高筋薄腹结构进一步加大了此类钛合金大型构件一体化成形和组织控制的难度，因此即便采用等温成形也难以从简单坯料(棒料、块料等)直接成形出满足几何尺寸精度和组织性能要求的锻件，通常需要进行多工步的锻造成形过程，在终锻工序之前先预锻成形出中间坯料，以此得到最终构件。因此，预锻件质量的优劣直接决定着终锻构件的成形精度和质量，预锻成形工步起到了承上启下的关键作用，已成为钛合金大型筋板构件精确成形的重要步骤。
当前的研究主要在一些小型件和板料成形方面取得了较为理想的优化效果，但对大型复杂构件预锻成形优化需要进一步展开研究，同时针对TA15钛合金大型复杂构件预锻成形优化方法需要进一步发展，所以本发明专利提出结合响应面优化方法对航空大型钛合金复杂筋板件预锻成形初始毛坯进行优化设计，可以克服当前预锻成形过程中常见的填充不满、折叠及成形载荷过大等诸多缺陷，并为类似大型复杂构件预锻成形工艺的制定提供参考。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，达到优化初始毛坯各关键尺寸以及提高优化效率，可以克服当前预锻成形过程中常见的填充不满、折叠及成形载荷过大等诸多缺陷，并为类似大型复杂构件预锻成形工艺的制定提供参考。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，所述方法包括以下步骤，
(1)、提取预锻件结构，设计初始毛坯；
(2)、参数化建模，基于UG三维造型软件对预锻模具建模及初始毛坯进行参数化建模，构建初始毛坯关键尺寸参数化模型；
(3)、有限元模型，基于Deform-3D有限元模拟软件设置预锻成型边界条件，在步骤(2)的基础上进一步构建初始毛坯有限元模型；
(4)、找出初始毛坯各尺寸范围，确定优化目标；
(5)、构建响应面模型，采用Box-Benhnken(BBD)实验设计方法，设计响应面试验方案；
(6)、基于Deform-3D有限元软件模拟的基础上对步骤(5)得到的试验样本进行有限元模拟分析计算；
(7)、对模拟充填结果进行分析，建立坯料关键尺寸与充填之间的定量关联关系；
(8)、根据步骤(7)得到的响应值建立坯料关键尺寸与预锻模具之间充填的响应面模型；
(9)、极值求解，采用极值求解方法在步骤(8)建立的响应面模型的基础上确定最佳充填毛坯形状尺寸；
(10)、通过Deform-3D有限元模拟软件验证毛坯优化结果，采用物理缩比实验验证优化后初始毛坯充填情况。
优选的，在确定初始毛坯厚度，模具中的放置位置，摩擦条件温度等工艺参数后，只对初始毛坯关键尺寸进行优化。
优选的，采用UG三维造型软件对预锻模具及毛坯进行参数化建模，步骤(2)预锻模具与初始毛坯模型以stl.的格式导入Deform-3D有限元模拟软件。
优选的，所述步骤(3)中所建立的有限元模型包括组合模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与组合模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始预制坯和组合模具的温度。
优选的，对步骤(10)通过Deform-3D有限元模拟软件验证毛坯优化结果进行充填分析，和物理缩比实验；如果优化后的初始毛坯显著提高充填效果，使飞机隔框预锻件同时靠模，则满足要求，优化结束并输出优化结果，否则，重新构建响应面，继续优化。
优选的，所述步骤(8)中在响应面模型中，将初始毛坯关键尺寸作为输入变量，模拟充填面积与实际面积差作为输出变量，根据初始毛坯关键尺寸不同构建出坯料关键尺寸与预锻模具之间充填的响应面模型。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明采用响应面分析与实验研究和计算机数值模拟有机结合的方法，以TA15钛合金大型复杂构件预锻成形过程为研究对象，建立毛坯形状尺寸与预制坯充填之间的定量关联关系，从而丰富当前TA15钛合金大型复杂构件预锻成形的坯料优化设计方法，使其趋于合理、可靠和精确。研究结果可以克服当前预锻成形过程中常见的填充不满、折叠及成形载荷过大等诸多缺陷，并为类似大型复杂构件预锻成形工艺的制定提供参考。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是实施例中的预锻模具及初始毛坯放置位置结构示意图。其中，a是模具结构图，b是初始毛坯放置位置；
图2是实施例中初始毛坯的预设尺寸；
图3是实施例中响应面模型构建的实验安排方案；
图4是实施例中17组模拟数据处理后的响应值；
图5是实施例中的构建的响应面模型；
图6是本发明的系统框图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本实施例首先基于UG三维建模软件对毛坯进行参数化建模；基于Deform-3D有限元模拟软件设置预锻成型边界条件及构建有限元模型；结合响应面优化方法，设计响应面方案，构建响应面模型；采用极值求解方法确定坯料形状尺寸；通过Deform-3D有限元模拟模拟验证；最后通过物理缩比实验验证优化结果。具体过程是：
工作原理：
(1)提取预锻件结构，设计初始毛坯。
在已知预制坯的基础上，设计初始毛坯采用等厚坯料。在确定初始毛坯厚度为69.84mm，模具中的放置位置如图1，确定摩擦条件，毛坯与模具摩擦系数设为0.3，等温锻温度970℃等工艺参数，只对初始毛坯关键尺寸进行优化。坯料在水平面内的投影面积相等，初始毛坯如图2所示，其中包含四个关键尺寸，Billet_RSM_height为150mm，Billet_RSM_width为800mm，Billet_RSM_radius为200mm，Billet_RSM_circle为800mm。
(2)参数化建模，基于UG三维建模软件对预锻模具及毛坯进行参数化建模，构建初始毛坯关键尺寸参数化模型，从而可以快速调节初始毛坯形状。
(3)有限元模型，基于Deform-3D有限元模拟软件，将步骤(2)预锻模具与初始毛坯模型以stl.的格式导入Deform-3D有限元模拟软件，构建初始毛坯有限元模型，所建立的有限元模型包括模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始毛坯和模具的温度。
模具与初始预制坯的几何外形由UG三维建模软件提取stl.格式导入；初始预制坯与模具之间的摩擦因子采用通常钛合金等温锻摩擦为0.3；上模的下压速度为0.1mm/s，压下量为55mm；采用等温锻，初始毛坯和模具温度为970℃。
(4)找出初始毛坯各尺寸范围，确定优化目标。
找出初始毛坯关键尺寸范围：Billet_RSM_height为135-235mm，Billet_RSM_width为765mm-965mm，Billet_RSM_radius为200mm-300mm，Billet_RSM_circle为655.5mm-817.3mm。
(5)建构响应面模型，采用BBD设计方法，设计响应面试验方案如图3所示。
(6)基于Deform-3D有限元软件模拟的基础上对步骤(5)得到的试验样本进行有限元模拟分析计算。通过响应面设计出17组实验方案后，将坯料关键尺寸输入UG参数化建模中，得到17组初始毛坯。将17组初始毛坯分别导入至Deform-3D有限元模拟软件，构建17组有限元模型。
(7)经过Deform-3D有限元软件模拟软件的模拟计算，对模拟充填结果进行分析，计算各组坯料未接触面积比＝(1-初始毛坯充填实际上下表面接触面积之和/预制坯上下表面积之和)*100％，建立坯料关键尺寸与充填之间的定量关联关系，从而得到坯料关键尺寸与充填未接触面积比，数据如图4所示。
(8)根据步骤(7)得到的响应值建立坯料关键尺寸与预锻模具之间充填的响应面模型，将初始毛坯关键尺寸作为输入变量，充填未接触面积比作为输出变量，构建坯料关键尺寸与预锻模具之间充填的响应面模型，如图5所示。
(9)极值求解，采用极值求解方法在步骤(8)建立的响应面模型的基础上确定最佳充填毛坯形状尺寸，Billet_RSM_height＝170mm Billet_RSM_radius＝965mm，Billet_RSM_width＝300.00mm，Billet_RSM_circle＝725.00mm。
(10)通过Deform-3D有限元模拟软件验证优化的毛坯，优化后初始毛坯的充填未接触面积比达到了同时靠模和充填要求。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
(1)、提取预锻件结构，设计初始毛坯；
(2)、参数化建模，基于UG三维造型软件对预锻模具建模及初始毛坯进行参数化建模，构建初始毛坯关键尺寸参数化模型；
(3)、有限元模型，基于Deform-3D有限元模拟软件设置预锻成型边界条件，在步骤(2)的基础上进一步构建初始毛坯有限元模型；
(4)、找出初始毛坯各尺寸范围，确定优化目标；
(5)、构建响应面模型，采用Box-Benhnken(BBD)实验设计方法，设计响应面试验方案；
(6)、基于Deform-3D有限元软件模拟的基础上对步骤(5)得到的试验样本进行有限元模拟分析计算；
(7)、对模拟充填结果进行分析，建立坯料关键尺寸与充填之间的定量关联关系；
(8)、根据步骤(7)得到的响应值建立坯料关键尺寸与预锻模具之间充填的响应面模型；
(9)、极值求解，采用极值求解方法在步骤(8)建立的响应面模型的基础上确定最佳充填毛坯形状尺寸；
(10)、通过Deform-3D有限元模拟软件验证毛坯优化结果，采用物理缩比实验验证优化后初始毛坯充填情况。
2.根据权利要求1所述的一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，其特征在于：在确定初始毛坯厚度，模具中的放置位置，摩擦条件温度等工艺参数后，只对初始毛坯关键尺寸进行优化。
3.根据权利要求1所述的一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，其特征在于：采用UG三维造型软件对预锻模具及毛坯进行参数化建模，步骤(2)预锻模具与初始毛坯模型以stl.的格式导入Deform-3D有限元模拟软件。
4.根据权利要求1所述的一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中所建立的有限元模型包括组合模具与初始预制坯的几何外形、初始预制坯与组合模具之间的摩擦因子、上模的下压速度及压下量、初始预制坯和组合模具的温度。
5.根据权利要求1所述的一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，其特征在于：对步骤(10)通过Deform-3D有限元模拟软件验证毛坯优化结果进行充填分析，和物理缩比实验；如果优化后的初始毛坯显著提高充填效果，使飞机隔框预锻件同时靠模，则满足要求，优化结束并输出优化结果，否则，重新构建响应面，继续优化。
6.根据权利要求1所述的一种大型复杂筋板件预锻成形初始毛坯优化设计方法，其特征在于：所述步骤(8)中在响应面模型中，将初始毛坯关键尺寸作为输入变量，模拟充填面积与实际面积差作为输出变量，根据初始毛坯关键尺寸不同构建出坯料关键尺寸与预锻模具之间充填的响应面模型。
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