CN113761684A

CN113761684A - 一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法及系统

Info

Publication number: CN113761684A
Application number: CN202111044514.3A
Authority: CN
Inventors: 国凯; 武冲; 孙杰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2041-09-07
Also published as: CN113761684B

Abstract

本公开提出了一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法及系统，其中，方法包括如下步骤：根据待校正零件的结构特征和加工变形挠曲线曲率特征，将加工变形区域进行分段处理，得到多个校正区域；获取在初始校正载荷作用下，各个校正区域的初始校正优化数据；根据获得的初始校正优化数据，针对构建的校正载荷优化模型，采用非线性最小优化函数求解，获得每个校正区域的最优校正载荷值；所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。本公开建立以最小残余变形量为评价指标的优化模型，再通过非线性最小优化函数计算校正载荷最优值，该方法能够准确获得结构件校正过程中最优校正载荷，保证结构件校正质量和校正精度。

Description

一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法及系统

技术领域

本公开涉及结构件加工变形控制相关技术领域，具体的说，是涉及一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

结构件为满足现代交通工具、大型设备等高机动性、长寿命、高可靠性的要求而出现的新型工件，具有结构复杂、尺寸大、工件壁薄等特点，数控加工变形问题严重，尤其是国产锻造毛坯材料得到推广应用后，这一问题尤为突出，严重影响我国先进设备的生产效率和研发效率。

究其原因，主要是由于毛坯内部中的初始残余应力在加工过程中，随着材料的去除，工件内部的残余应力得到释放，残余应力再平衡且分布不对称，以及几何结构不对称、自身刚度低等原因，产生了不同程度的加工变形，相关学者从毛坯应力和加工应力入手，减少对加工变形的影响，但是结构件的加工变形依然很严重。

近几年，部分学者针对加工过程的加工工艺进行了研究，从而进一步降低了工件的加工变形，但是结构件的加工变形是不可避免的，利用多种变形控制策略，工件变形仍然是在所难免的。因此，变形校正技术是降低工件变形的有效方法，研究者们提出了不同的校正方法。

针对结构件加工完成后加工变形校正问题，一些学者提出了一种加工变形的方法，将需要校正的零件放在模具上，由技术人员观察结构件的变形位置，通过滚压校正装置施加手感力，再观察校正后的结构件变形误差量，是否满足设计时的精度，如不满足，还需进一步校正，该方法费时费力，而且精度不易保证，校正方式粗糙。另一些学者提出了基于等效弯矩方法的校正方式，但是该方法针对简单的T型零件的校正方法，对复杂零件的校正精度低，难以保证校正后的结构件的校正质量。并且，由于数控加工后的零件变形在不同位置出现的变形量不同，因此采用粗糙式的人工校正和单一校正载荷会出现对零件变形的过校正或不完全校正，并且零部件的校正精度完全依赖于操作工人的经验和眼力观察，零件的安装精度和使用寿命难以保证。

综上所述，现有的结构件加工变形校正技术存在不足，目前还没有行之有效的方法，利用加工前应力调控技术和加工过程中加工工艺的改进，虽然可以改善结构件的加工变形情况，但是加工完成后加工变形问题依然很严重。现有的加工变形校正技术利用人工经验校正和滚压过程中的单一校正载荷校正，结构件的校正质量和校正精度难以保证，结构件易出现过校正和不完全校正问题，并且由于材料的塑性变形是典型的非线性问题，难以找到一个精确的数学模型用于表征校正载荷与工件变形量的关系，现有技术难以满足结构件的安装精度和零件的使用寿命，不易实现校正过程的智能化和精准化。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法及系统，建立以最小残余变形量为评价指标的优化模型，再通过非线性最小优化函数计算校正载荷最优值，该方法能够准确获得结构件校正过程中最优校正载荷，保证结构件校正质量和校正精度。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，包括如下步骤：

根据待校正零件的结构特征和加工变形挠曲线曲率特征，将加工变形区域进行分段处理，得到多个校正区域；

获取在初始校正载荷作用下，各个校正区域的初始校正优化数据；

根据获得的初始校正优化数据，针对构建的校正载荷优化模型，采用非线性最小优化函数求解，获得每个校正区域的最优校正载荷值；

所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。

本公开第二方面提供一种结构件加工变形分段校正载荷优化系统，包括：

校正区域划分模块：被配置为用于根据待校正零件的结构特征和加工变形挠曲线曲率特征，将加工变形区域进行分段处理，得到多个校正区域；

初始校正优化数据获取模块：被配置为用于获取在初始校正载荷作用下，各个校正区域的初始校正优化数据；

求解模块：根据获得的初始校正优化数据，针对构建的校正载荷优化模型，采用非线性最小优化函数求解，获得每个校正区域的最优校正载荷值；

所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。

本公开第三方面提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

本公开第四方面一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开根据结构件加工变形特征和自身结构特征，实现了结构件的分段校正，改变了结构件加工变形校正过程中采用单一校正载荷的现状，保证了结构件的校正质量。

(2)本公开提出的方法依靠有限元仿真数据进行优化校正载荷，不需要使用大量的结构件实体试验探寻校正规律，节省了试验用的材料，降低了校正过程中的成本。

(3)本公开的方法不需要反复多次对结构件进行校正，提高了校正效率，降低结构件的校正次数，可防止结构件校正区域表面质量的降低，满足结构件设计时的寿命要求。

(4)本发明提出的方法设计简单、实用性强、计算结果准确度高，优化后的结构件校正精度满足设计时的精度要求，实现了结构件的精准校正。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1为本公开实施例1的分段校正载荷优化方法流程图；

图2为本公开实施例1的校正区域划分方法流程图；

图3为本公开实施例1的初始校正载荷优化数据获取流程图；

图4为本公开实施例1的示例待校正结构件的模型及其校正区域划分示意图；

图5为本公开实施例1的示例待校正结构件初始校正载荷优化数据部分展示图；

图6为本公开实施例1的示例待校正结构件校正前后变形量示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，包括如下步骤：

步骤1)划分校正区域：根据待校正零件的结构特征和加工变形挠曲线曲率特征，将加工变形区域进行分段处理，得到多个校正区域；

步骤2)获取初始校正优化数据：获取在初始校正载荷作用下，各个校正区域的初始校正优化数据；

步骤3)通过构建的校正载荷优化模型求解：根据获得的初始校正优化数据，针对构建的校正载荷优化模型，采用非线性最小优化函数求解，获得每个校正区域的最优校正载荷值。

所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。

本实施例根据结构件加工变形特征和自身结构特征，实现了结构件的分段校正，改变了结构件加工变形校正过程中采用单一校正载荷的现状，保证了结构件的校正质量。

进一步的，为提高校正载荷的准确度，还包括最优校正载荷验证的步骤：

步骤4)将最优校正载荷根据校正区域对应施加至有限元仿真模型中，获取最优校正载荷下结构件的残余变形量，判断结构件中最大的残余变形量是否满足设计精度ε_Residual。

进一步，所述的步骤1)中进行分段处理获得校正区域，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1-1)将结构件加工变形模型导入有限元软件中，获取结构件加工变形情况，并提取结构件初始加工变形量u_Initial：

u_Initial＝[u₀₁,u₀₂,u₀₃,...，u_0k]_1×k

式中，k表示结构件变形监测点的数量。

本实施例采用的具体实施例附图4所示的结构件，初始加工变形量如图6所示。

步骤1-2)根据结构件的结构特征进行校正区域的初划分，获得初次划分校正区域；

具体的，可以按照结构件的筋板位置划分校正区域；

由于结构件中含有较多的筋板，多呈隔框型零件，可以按照结构件的筋板位置划分校正区域。

步骤1-3)根据结构件加工变形挠曲线曲率特征，对初次划分的每个区域进行重新确认，基于结构件挠曲线的曲率不连续点进一步修正初次划分的校正区域，获得最终的校正区域，具体的，方法如下：

步骤1-3-1)：提取结构件加工变形挠曲线：

根据结构件的结构连续性和应力连续性情况，分段提取结构件底面的中线加工变形量，拟合结构件的中线挠曲线特征

此时结构件的挠曲线

可以表示为一元二次多项式：

y_i(t)＝a_it²+b_it+c_i(l_i≤t≤l_i+1)

式中，y_i(t)为结构件第i段加工变形量，a_i,b_i,c_i均为常数，由拟合的挠曲线特征获得，l_i,l_i+1拟合结构件第i段挠曲线时的结构件起始和终止位置。

步骤1-3-2)根据挠曲线判断初次划分校正区域中任意两个相邻区域之间是否连续，如果连续，两个区域之间采用结构特征划分的校正区域，如果不连续，按照结构件挠曲线的曲率不连续点进一步修正初次划分的校正区域，重新确定两个区域之间的分界，获得最终校正区域。

计算结构件挠度曲线y_i(t)的二阶导数

判断分段处结构件的连续性问题，如果

则表明结构件的第i段和第i+1段曲率一致，校正过程中可以采用按照结构特征划分的校正区域，反之，

曲率不一致，校正过程中采用按照曲率函数二阶导数不连续点划分的校正区域，进行计算该区域的校正载荷。

本实施例如图4的结构件的初始加工变形量及挠曲线的导数计算如表1所示。通过表1获得了本实施例如图4的结构件的各段挠曲线函数，可以得到二阶多项式拟合式在分段点处的计算值是一致的，但是各分段挠曲线表达式的二阶导数是不连续的。因此按照结构件的不连续点进行划分，结合结构件的结构特征，最终获得了结构件的校正区域。如图4所示，本实施例中校正区域划分为10个。

表1

本实施例提出的方法依靠有限元仿真数据进行优化校正载荷，不需要使用大量的结构件实体试验探寻校正规律，节省了试验用的材料，降低了校正过程中的成本。

进一步地，所述的步骤2)中的所述初始校正载荷优化数据为：将初始校正载荷作用在各个校正区域，获得的每个校正区域结构件变化梯度矩阵即为初始校正载荷优化数据获取，如图3所示，包括如下步骤：

步骤2-1)基于步骤1)中划分的不同校正区域施加初始校正载荷Load_Initial＝[p₁,p₂,p₃,...p_m]_1×m，提取第i个校正区域在第j个初始校正载荷下，对结构件整体变形影响关系的残余变形量

步骤2-2)计算结构件在不同校正载荷下，结构件加工变形量的变化梯度

步骤2-3)根据获得的加工变形量的变化梯度

构建结构件变化梯度矩阵U_Gradient：

式中，n表示结构件中有n个校正区域，m表示有m个不同的初始校正载荷值。本实施例中采用的初始化结构件变化梯度矩阵U_Gradient中的部分数据如附图5所示。

进一步，所述的步骤3)中建立校正载荷优化模型，具体如下：

步骤3-1)根据结构件变化梯度矩阵U_Gradient，建立加工变形量变化梯度与校正载荷的插值模型，包括如下步骤：

步骤3-1-1)初始化插值向量y_Inter＝[0,0,0,...,0]_1×k；

步骤3-1-2)采用MATLAB中的interp1函数，对结构件变化梯度矩阵U_Gradient迭代插值求解，获取不同区域i施加校正载荷x_i的变形量，并记为y(x_i)，那么第s个变形监测点下的迭代后校正量记为y_Inter(s,1)即为插值模型：

其中，y_Inter(s,1)是插值向量y_Inter中第s个值。

步骤3-2)建立非线性最小优化函数fmincon模型求解目标函数，具体步骤如下：

步骤3-2-1)求解优化后工件的残余变形量变化梯度Δu_Optimal：

Δu_Optimal＝y_Inter-u_Initial

步骤3-2-2)获取优化方法中结构件最大残余变形量q:

步骤3-2-3)建立fmincon优化求解目标函数：

式中，符号“s.t.”表示“约束条件”，Δu_Optimal＝0表示求解残余变形量为零的校正载荷值x，x_min,x_max表示校正载荷优化范围，防止结构件表面出现压溃现象。

步骤3-3)根据约束条件和目标函数设置fmincon优化求解目标函数，求出校正载荷最优解x_Optimal。

进一步，所述的步骤4)中的具体步骤：

步骤4-1)将计算的最优校正载荷x_Optimal，施加至有限元模型中对应的结构件校正区域，获取结构件在有限元仿真中的残余变形量u_Optimal；

步骤4-2)判断u_Optimal中最大残余变形量max|u_t|，是否满足结构件设计精度ε_Residual，即max|u_t|≤ε_Residual；本实施例中设计精度可以设置为ε_Residual＝0.6mm；

步骤4-3)如果不满足设计精度，将本次计算的校正载荷下残余变形量导入步骤2)中结构件变化梯度矩阵U_Gradient，继续计算校正载荷，直到满足设计精度要求，从而返回最优校正载荷x_Optimal。

本实施例采用该方法进行计算，获得最优校正载荷如下表2所示。

表2

获得最优校正载荷下的残余变形量如附图6所示，最大残余变形量max|u_t|＝0.465mm。显然符合结构件的设计精度要求。

本实施例针对结构件加工变形问题，提出了一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，改变了结构件校正过程中的单一校正载荷校正现状，实现了结构件加工变形校正过程中的分段校正，满足结构件设计的精度要求，保证了结构件的校正质量。

实施例2

基于实施例1，本实施例提供一种结构件加工变形分段校正载荷优化系统，包括校正区域划分模块：被配置为用于根据待校正零件的结构特征和加工变形挠曲线曲率特征，将加工变形区域进行分段处理，得到多个校正区域；

所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。

实施例3

本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

实施例4

本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是，包括如下步骤：

所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。

2.如权利要求1所述的一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是：还包括最优校正载荷验证的步骤：将最优校正载荷根据校正区域对应施加至有限元仿真模型中，获取最优校正载荷下结构件的残余变形量，判断结构件中最大的残余变形量是否满足设计精度。

3.如权利要求2所述的一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是：

最优校正载荷验证的步骤如下：

将计算的最优校正载荷，施加至有限元模型中对应的结构件校正区域，获取结构件在有限元仿真中的残余变形量；

判断残余变形量中最大残余变形量，是否满足结构件设计精度；

如果不满足设计精度，将本次计算的校正载荷下残余变形量导入初始校正优化数据中，继续计算校正载荷，直到满足设计精度要求，从而返回最优校正载荷。

4.如权利要求1所述的一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是：进行分段处理获得校正区域包括以下步骤：

将结构件加工变形模型导入有限元软件中，获取结构件加工变形情况，并提取结构件初始加工变形量；

根据结构件的结构特征进行校正区域的初划分，获得初次划分校正区域；

根据结构件加工变形挠曲线曲率特征，对初次划分的每个区域进行重新确认，基于结构件挠曲线函数二阶导数不连续点对校正区域划分进行修正，获得最终的校正区域。

5.如权利要求4所述的一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是：根据结构件的结构特征进行校正区域的初划分，为按照结构件的筋板位置划分校正区域；

或者

根据结构件加工变形挠曲线曲率特征，对初次划分的每个区域进行重新确认，获得最终的校正区域，具体的，方法如下：

提取结构件加工变形挠曲线；

根据挠曲线判断初次划分校正区域中任意两个相邻区域之间是否连续，如果连续，两个区域之间采用结构特征划分的校正区域，如果不连续，按照结构件挠曲线函数二阶导数不连续点对校正区域划分进行修正，重新确定两个区域之间的分界，获得最终校正区域。

6.如权利要求1所述的一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是：初始校正载荷优化数据为：将初始校正载荷作用在各个校正区域，获取每一个初始校正载荷对结构件整体变形影响关系的残余变形量，根据每一个初始校正载荷作用下的变化梯度构建结构件的变化梯度矩阵。

7.如权利要求1所述的一种结构件加工变形分段校正载荷优化方法，其特征是：建立校正载荷优化模型，具体如下：

根据结构件变化梯度矩阵，建立加工变形量变化梯度与校正载荷的插值模型；

获取插值模型求解得到的残余变形量变化梯度中最大的残余变形量；

建立非线性最小优化函数模型求解目标函数。

8.一种结构件加工变形分段校正载荷优化系统，其特征是，包括：

所述校正载荷优化模型以最小化残余变形量为目标构建。

9.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。