CN113405485A - 一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术 - Google Patents

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Abstract

一种基于塑性变形‑空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，是将充液成形这种柔性介质成形技术与空气动力学技术相结合的产品表面质量检测新方法。采用空气动力学跨音速绕流模型对零件的拟合轮廓进行数值模拟，通过观察零件表面空气流场的压强分布、流速分布以及马赫数分布，判断零件表面光顺性程度，目的在于提供一种可以获得更加高效、更加直观的产品表面质量检测手段。该方法采用了试验研究与数值模拟相结合的手段，通过直观地分析零件表面轮廓的空气动力学流场模拟结果如压强分布、流速分布和马赫数分布，更加直观地显示零件表面质量的缺陷分布，可以有效缩短产品表面质量的检测时间，提高检测效率。

Description

一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新 技术
技术领域
本发明属于金属板材轻量化成形技术领域，特别是涉及一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术。
背景技术
航空飞行器蒙皮件的形状比较规则，而且生产批量小，因此，目前成形该类零件的工艺方法还主要集中在传统冲压工艺和拉形成形。在传统成形工艺中，板料与刚性模具之间的接触摩擦使得零件表面通常有各种缺陷(滑移线、光亮带以及因为回弹引起的局部塌陷)产生。零件的表面质量会影响飞行过程中飞行器表面空气流场的压强分布和流速分布，影响飞行器在飞行中的空气阻力，进而影响结构整体的工作性能和工作效率。在充液成形工艺过程中，高压流体作为柔性传力介质取代传统刚性凸模或凹模，板料在高压液体的均布载荷作用下包裹在凸模或凹模上。因为流体介质作用于板料单位法向上，使得板料与刚性模具之间不易产生相对滑动，减小了板料与模具之间的摩擦。充液成形技术因为流体介质的“摩擦保持”和“流体润滑”效果，不仅能够提高材料的成形极限，而且获得的零件表面质量要优于传统冲压工艺得到的零件表面质量。
在飞机制造领域，受成形材料性能的影响，蒙皮件成形表面质量的检测一直集中于形状尺寸精度。一般采用零件表面与模具贴合间隙大小的评判方法，即贴模度。通常的检验方法如下：成形工艺结束后，因为模具型面尺寸为生产标准，因此依据现场成形模具作为检验工装，将产品放置模具上，通过手压或者采用沙袋均布加压的方式进行产品在检测模具上的固定，然后利用塞尺对两者边缘的贴模度进行测量，或者凭工人的经验判断其是否贴模。该传统方法测量结果的精度全凭工人的经验程度，往往测量结果受外界影响的波动比较大，具有测量的随机性与不稳定性。因为试验方法中数据采集量大、测量过程繁琐、测量过程随机性以及数据处理方法多等缺陷，这些都使得利用便捷、容易操作的方法去定性判断零件表面成形尺寸变化程度成为研究的热点。近年来，随着计算机技术的发展而出现的光学非接触测量技术，因为检测方便、精度高等特点，应用越来越广泛，具体形式有照相检测、雷达扫描检测等。
为了验证充液成形获得的零件表面质量优于传统冲压成形获得的零件表面质量这个观点，突破传统测量表面光顺性的方法(如Autoform以及Catia中的zibra line法)以及借助其它设备的测量方法，提出了一种基于具体工作环境下利用数值模拟与理论分析相结合的手段判断零件表面质量的方法，可以有效缩短产品表面质量的检测时间，提高检测效率，更加直观地显示不同工艺成形后的产品表面质量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，将充液成形这种柔性介质成形技术与空气动力学技术相结合，达到轻质合金零件表面质量提高和表面质量检测更加便捷和直观的效果。
为了达到上述目的，本发明提供的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术按顺序包括如下步骤：
1)首先，利用充液成形工艺和传统冲压工艺获得外形尺寸相同的弧形回转体薄壁零件，利用激光跟踪仪采集零件表面离散点的几何坐标，得到了零件表面测量点的数据信息，然后采用逆向工程，利用MATLAB对这些点云进行多项式拟合得到3D数模，将拟合结果的四种误差值如复相关系数(R-square)、调整自由度复相关系数(Adjusted R-square)、误差平方和(SSE)和均方根误差(RMSE)作为评定曲面拟合质量的关键参考因素，判断试验过程的合理性与准确性。
2)对弧形回转体薄壁零件的充液成形工艺和传统冲压工艺过程进行相应的数值模拟，以连接于凹模圆角与板料胀形顶点之间的两条正交弧形轮廓线上的9个数据采集点为研究对象，比较壁厚的数值模拟值和试验值的差异程度，判断该有限元模型的正确性和合理性。
3)利用该有限元模型进行高径比h/a分别为0.267、0.333、0.408的回转体零件的数值模拟，导出轮廓上节点的二维坐标值。因为抛物线拟合得到的曲线精度高，与胀形轮廓符合程度好，可反映胀形试样的真实轮廓，所以利用二次多项式、四次多项式和五次多项式对轮廓数据点进行轮廓曲线拟合，根据拟合结果的残差平均值，确定最优化的拟合多项式形式。
4)利用激光跟踪仪对零件表面进行数据点采集，通过捕捉跟踪反射器与零件表面接触点的位置从而得到零件表面点云，利用选择的最优化多项式对两个零件的表面轮廓线进行拟合，然后将拟合轮廓线导入到空气动力学模拟分析软件FLUENT中，建立零件表面实际工况有限元模型，采用空气动力学跨音速绕流模型对零件的拟合轮廓进行数值模拟，通过观察零件表面空气流场的压强分布、流速分布以及马赫数分布，判断零件表面光顺性程度。
5)板料在冲压成形过程中，遵循发生塑性变形而体积不变的原则，板料的塑性变形通常是由应力偏张量引起的。因为应力偏张量第三不变量J3′是由厚向异性指数r和应力函数f(σ)构成的，决定了应变的类型，因此通过分析不同应力状态下J3′的组成变量，将受力状态的理论表征形式与宏观变形联系起来，从理论解析的角度推导两种成形工艺过程中的应力偏张量第三不变量的表达式，根据不同的表征参数，定性地分析表面质量差异的本质原因。
本发明提供的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术是将充液成形这种柔性介质成形技术与空气动力学技术相结合的产品表面质量检测新方法，目的在于提供一种可以获得更加高效、更加直观的产品表面质量检测手段。定义为：首选，利用充液成形工艺和传统冲压工艺获得了外形尺寸相同的零件，利用激光跟踪仪对两个零件进行表面跟踪扫描，对扫描得到的数据点进行曲面拟合，根据拟合结果的四种误差值，判断试验过程的合理性与准确性；然后，对相同零件的两种成形过程进行相应的数值模拟研究，根据两条测量路径上壁厚的数值模拟值和试验值的分布趋势的比较，判断该有限元模型的正确性和合理性；利用该有限元模型进行三种不同高径比回转体零件的数值模拟，然后利用二次多项式、四次多项式和五次多项式对轮廓数据点进行轮廓曲线拟合，根据拟合结果，确定最优化的拟合多项式形式；最后，利用选择的最优化多项式对两个零件的表面轮廓线进行拟合，然后将拟合轮廓线导入到空气动力学模拟分析软件FLUENT中，建立零件表面实际工况有限元模型。采用空气动力学跨音速绕流模型对零件的拟合轮廓进行数值模拟，通过观察零件表面空气流场的压强分布、流速分布以及马赫数分布，判断了零件表面光顺性程度。最后，从理论解析的角度推导两种成形工艺过程中的应力偏张量第三不变量的表达式，根据不同的表征参数，定性地分析表面质量差异的本质原因。
附图说明
图1为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术工艺流程图。
图2为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术中的两种成形工艺原理图。
图3为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术中的激光跟踪器测量轨迹。
图4为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术中的激光跟踪仪测量误差示意图
图5为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术中的MATLAB曲面拟合过程示意图。
图6为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术中的轮廓线测量点多项式拟合过程示意图。
图7为本发明提供的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术中的空气动力学有限元模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术过程进行详细说明。
如图1-图7所示，本发明提供的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术包括按照顺序进行的下列步骤：
1)首先，开展试验研究，利用图(2)的充液成形工艺和传统冲压工艺实施弧形回转体薄壁零件的试验，试验结束后利用激光跟踪仪的球形跟踪器扫描零件表面，经过自带软件的处理获得图(3)中零件表面测量点的坐标信息。利用MATLAB对这些点云通过逆向工程进行多项式拟合得到图(5)的3D数模，通过拟合误差的分析初步判断试验过程的合理性与准确性，为基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术的验证提供了可靠的数据来源。
2)然后，对图(2)的充液成形工艺和传统冲压工艺进行数值模拟研究，针对模拟结果沿着图(4)的激光跟踪器测量轨迹获得经过弧形回转体零件直径轮廓线上9个数据采集点的壁厚模拟值，将壁厚的数模拟值和步骤1)中获得的壁厚试验值进行差异化分析，在合理的误差范围内判断该有限元模型的准确性，为步骤3)中最优拟合多项式的选择提供准确的有限元模拟数据。
3)利用步骤2)中有限元模型的参数设置进行高径比h/a分别为0.267、0.333、0.408的回转体零件的数值模拟，导出经过直径方向的轮廓上节点的二维坐标值。利用二次多项式、四次多项式和五次多项式对轮廓数据点进行图(6)的轮廓曲线拟合，根据拟合结果的残差平均值，确定最优化的拟合多项式形式。因为零件轮廓线为弧形，利用抛物线拟合得到的曲线经过的数据点多于幂指数型拟合曲线经过的点，与胀形轮廓符合程度高，可反映胀形试样的真实轮廓，为步骤4)的空气动力学数值模拟提供准确的物理模型。
4)利用步骤3)确定的最优化多项式对步骤1)中试验件沿着图(4)激光跟踪器测量轨迹上的节点进行拟合，然后将拟合轮廓线导入到空气动力学模拟分析软件FLUENT中，建立零件表面实际工况的图(7)空气动力学有限元模型，采用空气动力学跨音速绕流模型对零件的拟合轮廓进行数值模拟，通过观察零件表面空气流场的压强分布、流速分布以及马赫数分布，判断零件表面光顺性程度。
5)板料在塑性变形过程中遵循体积不变的原则，板料的塑性变形通常是由应力偏张量引起的。其中应力偏张量第三步变量J3′是由厚向异性指数r和应力函数f(σ)构成，决定了应变的类型，因此通过分析不同应力状态下J3′的组成变量，解析两种板料成形方式条件下J3′的表达式，从理论解析的角度定性地分析表面质量差异的本质原因。结合空气动力学模拟分析结果，充分验证基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术的有效性和创新性。

Claims (5)

1.一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，其特征在于：所述的基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术包括按顺序进行的下列步骤：
1)首先，开展试验研究，利用图(2)的充液成形工艺和传统冲压工艺实施弧形回转体薄壁零件的试验，试验结束后利用激光跟踪仪的球形跟踪器扫描零件表面，经过自带软件的处理获得图(3)中零件表面测量点的坐标信息，利用MATLAB对这些点云通过逆向工程进行多项式拟合得到图(5)的3D数模，通过拟合误差的分析初步判断试验过程的合理性与准确性，为基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术的验证提供了可靠的数据来源；
2)然后，对图(2)的充液成形工艺和传统冲压工艺进行数值模拟研究，针对模拟结果沿着图(4)的激光跟踪器测量轨迹获得经过弧形回转体零件直径轮廓线上9个数据采集点的壁厚模拟值，将壁厚的数模拟值和步骤1)中获得的壁厚试验值进行差异化分析，在合理的误差范围内判断该有限元模型的准确性，为步骤3)中最优拟合多项式的选择提供准确的有限元模拟数据；
3)利用步骤2)中有限元模型的参数设置进行高径比h/a分别为0.267、0.333、0.408的回转体零件的数值模拟，导出经过直径方向的轮廓上节点的二维坐标值，利用二次多项式、四次多项式和五次多项式对轮廓数据点进行图(6)的轮廓曲线拟合，根据拟合结果的残差平均值，确定最优化的拟合多项式形式，因为零件轮廓线为弧形，利用抛物线拟合得到的曲线经过的数据点多于幂指数型拟合曲线经过的点，与胀形轮廓符合程度高，可反映胀形试样的真实轮廓，为步骤4)的空气动力学数值模拟提供准确的物理模型；
4)利用步骤3)确定的最优化多项式对步骤1)中试验件沿着图(4)激光跟踪器测量轨迹上的节点进行拟合，然后将拟合轮廓线导入到空气动力学模拟分析软件FLUENT中，建立零件表面实际工况的图(7)空气动力学有限元模型，采用空气动力学跨音速绕流模型对零件的拟合轮廓进行数值模拟，通过观察零件表面空气流场的压强分布、流速分布以及马赫数分布，判断零件表面光顺性程度；
5)板料在塑性变形过程中遵循体积不变的原则，板料的塑性变形通常是由应力偏张量引起的，其中应力偏张量第三步变量J3′是由厚向异性指数r和应力函数f(σ)构成，决定了应变的类型，因此通过分析不同应力状态下J3′的组成变量，解析两种板料成形方式条件下J3′的表达式，从理论解析的角度定性地分析表面质量差异的本质原因，结合空气动力学模拟分析结果，充分验证基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术的有效性和创新性。
2.根据权利要求1所述的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，其特征在于：在充液成形工艺过程中，高压流体作为柔性传力介质取代传统刚性凸模或凹模，板料在高压液体的均布载荷作用下包裹在凸模或凹模上，因为流体介质的“摩擦保持”和“流体润滑”效果，使得板料与刚性模具之间不易产生相对滑动，减小了板料与模具之间的摩擦，不仅能够提高材料的成形极限，而且获得的零件表面质量较高，因为施力载荷的分布均匀性，使得零件回弹趋势小，零件有更好的表面光顺性。
3.根据权利要求1所述的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，其特征在于：随着计算机技术的不断提升，利用有限元模拟软件开展零件表面流场数值模拟，检测方便，对真实的流场情况高度还原，同时，利用空气动力学有限元分析可以实现零件表面不同流场工况的数值模拟，通过检测结果的差异化分析，排除误差引起的检测结果不准确的情况，提高了表面质量检测精度。
4.根据权利要求1所述的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，其特征在于：采用试验和数值模拟相结合的手段，没有人工检测行为的参与，避免了传统测量结果全凭工人经验程度决定的约束，测量结果不受外界的影响，不存在测量结果的波动性、随机性及不稳定性。
5.根据权利要求1所述的一种基于塑性变形-空气动力学交叉理论的表面质量诊断新技术，其特征在于：通过直观地分析零件表面轮廓的空气动力学流场模拟结果如压强分布、流速分布和马赫数分布，掌握零件表面质量的缺陷分布，通过调整成形工艺参数之间的合理配置，制定最优的成形工艺，实现工艺过程的多样化和可操作性，对不同材料、结构和用途的产品的工艺制定具有一定的指导意义。
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