CN113779707B - 基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，包括建立超大型薄壁零件半精加工工序完成后理想无变形状态的数字模型；对半精加工完成后的零件进行自然时效；测量自然时效后零件的变形情况；建立有限元模型；对零件受位移载荷而引起的应变分布情况进行仿真计算，得到应变分布图；测量零件的平面度超差情况；划分应变严重区和应变非严重区，在精加工应变严重区时预留设置十字形工艺加强筋，增加应变严重区的刚度；通过自然时效后的真实位移值作为位移载荷，构造出界定零件应变严重区的应变阈值函数，借助有限元分析精确界定出应变严重区和应变非严重区，能够有效减小零件的加工变形，能够用于指导超大型薄壁弱刚性零件的结构设计。

Description

基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法

技术领域

本发明属于数控加工过程零件变形控制技术领域，具体涉及基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法。

背景技术

为了提高飞机性能，飞机结构件多采用大型零件整体设计和薄壁设计，并且结构件的加工和装配精度较高。对于超大型薄壁零件来说，金属材料的去除率达到85％以上，这对机加过程中的变形控制带来了巨大挑战。大多数的超大型薄壁零件变形，主要原因是毛坯在投入到机加生产后，随着金属材料大量去除，零件刚性变弱，材料的内应力释放导致变形。当零件半精加工完成后，大部分余量被去除，刚性变弱，松开零件的装夹并进行自然时效，零件会发生较大的翘曲变形，造成零件平面度超差的质量问题。

现有技术通常对零件变形区域进行评估后得出易变形的薄弱区域，对其加筋以抵抗变形，因此，如何准确有效地确定加强筋的设置位置是解决零件形变问题的关键。

现有技术通常通过以下方式确定零件薄弱区域并对其进行加强：

1、直接实际测量对测得的大变形部位加筋。在进行零件变形评估时，由于加工效率和现场条件的限制，难以对零件上每个点时效后的变形进行测量，故难以获取零件上每个点的真实变形；

2、加工前对零件进行有限元仿真，施加理论支点反力，计算出零件应力、应变分布，有限元中模拟施加的载荷并非零件受内应力变形时的真实载荷，难以准确模拟出零件的变形情况；因此，由于无法获取零件半精加工后零件准确、全面的变形值，也就难以进行精确的变形区域加固。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其包括：

S1、使用建模软件，建立超大型薄壁零件半精加工工序完成后理想无变形状态的数字模型并保存，所述零件半精加工工序完成后由若干个腹板、孔、工艺凸台构成；

S2、对零件进行粗加工和半精加工，其中粗加工后余量为6mm，半精加工后余量为3mm，零件四周和中间两个孔处设置有若干个Z向等高的工艺凸台，相邻两个工艺凸台的距离设定在300mm～400mm之间，工艺凸台与零件一次性加工成形，用于将零件压紧在工装上，防止零件在加工过程中移动，半精加工完成后，完全松开半精加工工序完成后的零件装夹，并进行自然时效；

S3、由于零件自然时效后会因为内应力释放而产生变形，在变形后的零件的各工艺凸台下面放置等高垫块，使零件悬空放置在水平工作台上，每个工艺凸台下面均对应设置有一个等高垫块，用塞尺分别测量变形后的零件上各工艺凸台下表面与对应等高垫块上表面Z向的间隙值；

S4、将S1中所述数字模型导入到有限元分析软件，定义模型单元、截面和材料属性，完成单元网格划分，建立有限元模型；

S5、根据S3中测量得到的Z向间隙值，在相应的各工艺凸台下表面上施加与Z向间隙值相等的Z向位移载荷以及其它自由度的固定约束，基于有限元求解出零件应变分布情况，即零件上各点应变值ε _i ，其中最大应变值为ε _max；

S6、在每个腹板中部选取一点，测量这些点的空间坐标值，以这些点的最小二乘平面作为评定基准面，计算零件的平面度P _f ，并计算零件设计要求平面度P _s 与零件平面度P _f 的比值，作为平面度比值κ，若κ大于等于1，则零件的平面度未超差，若κ小于1，则零件的平面度超差，且零件平面度超差越严重，κ的值越小；

S7、后续精加工工序均采用无应力夹紧方式进行夹紧，根据κ的大小判定是否存在应变严重区，设定κ的阈值为κ _l ，同时引入安全系数n，令κ _l =1/n，如果κ大于等于κ _l ，则按照正常精加工工序进行加工，无需加筋；如果κ小于κ _l ，则根据κ、ε _max和n，则界定出应变严重区和应变非严重区，并对应变严重区进行加筋，具体过程包括：计算应变值的阈值函数L=n·κ·ε _max，将S5中仿真结果应变值ε _i 大于L小于等于ε _max的区域设定为应变严重区，其余区域设定为应变非严重区，所述两区均包含了零件的正反两面，首先精加工应变非严重区，先释放应变非严重区的内应力，再精加工应变严重区，且在精加工应变严重区时在其每个腹板区域预留设置十字形工艺加强筋，增加应变严重区的刚度。零件两面精加工完成后再将十字形工艺加强筋去除。

作为优选的方案，所述S1中超大型薄壁零件长度大于等于3m，宽度大于等于1.5m，腹板厚度为2mm，零件理想无变形状态为不考虑零件变形和加工误差的理想状态。

作为优选的方案，所述S2中自然时效的时间为720h以上。

作为优选的方案，所述S3中零件悬空稳定放置时零件最低处距离水平工作台平面大于等于50mm，由于零件自然时效后发生变形，悬空稳定放置需保证至少有3个工艺凸台下表面与等高垫块上表面Z向的间隙值为0。

作为优选的方案，所述S4中数字模型以stp格式导入有限元分析软件ABAQUS中。

作为优选的方案，所述S5中位移载荷的大小等于间隙值，位移载荷的方向为Z轴向上。

作为优选的方案，所述S6中零件平面度P _f 的计算方法是，以评定基准面作为基准平面计算各测量点到基准平面的绝对距离值，取最大值作为该零件的平面度。

作为优选的方案，所述S7中无应力夹紧方式为使用浮动工装，调整各浮动工装高度，使其上支撑平面与零件工艺凸台下表面贴合后再压紧。

作为优选的方案，所述S7中，安全系数n介于0.7~1，κ _l 等于1/n。

作为优选的方案，所述S7中，十字形工艺加强筋设置在腹板中心，高度为3mm，宽度为10mm。

本发明提供的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，具有以下有益效果：

本申请以自然时效后的真实位移值作为位移载荷，采用有限元分析求解得到零件各有限元单元点位的应变值，基于最大应变值和反映零件整体变形情况的平面度比值，构造出界定零件应变严重区的应变阈值函数，基于实际位移载荷作用下求解的应变分布，根据应变阈值函数，精确界定出应变严重区和应变非严重区，后续精加工时先加工应变非严重区，提前释放零件应变非严重区的内应力，并在精加工应变严重区时预留设置十字形工艺加强筋，对零件应变严重区进行针对性加强，从而精确控制零件的加工变形。本发明可以针对特定零件特定工序的变形情况，精确界定出应变非严重区和应变严重区，从而有效地控制其后续加工变形，且零件的位移载荷仿真分析可以在零件自然时效快结束的阶段进行，不占用零件加工时间，工艺加强筋的后期去除也较为简单。因此，本发明能够在不降低加工效率的情况下有针对性的有效控制零件的变形，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明提供的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法的流程图。

图2为步骤S7的判断流程图。

图3为本发明实施例中超大型薄壁零件示意图。

图4为工艺凸台下表面与等高垫块上表面Z向间隙值测量示意图。

图5为应变严重区和应变非严重区划分示意图。

图6为应变严重区单个腹板区域十字形工艺加强筋结构示意图。

图中标记：1-工艺凸台，2-腹板，3-孔，4-Z向间隙，5-等高垫块，6-水平工作台，7-应变严重区，8-应变非严重区，9-应变严重区单个腹板区域，10-十字形工艺加强筋。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1-图6，以下将对上述步骤进行详细描述。

步骤S1、使用建模软件，建立超大型薄壁零件半精加工工序完成后理想无变形状态的数字模型并保存，所述零件半精加工工序完成后由若干个腹板2、孔3、工艺凸台1构成，具体地：

建立如图3所示的超大型薄壁零件的理想无变形状态的数字模型并保存，零件长度大于等于3m，宽度大于等于1.5m，腹板厚度为2mm，零件理想无变形状态为不考虑零件变形和加工误差的理想状态。

步骤S2、对所述零件进行粗加工和半精加工，其中粗加工后余量为6mm，半精加工后余量为3mm，零件四周和中间两个孔3处设置有若干个Z向等高的工艺凸台1，相邻两个工艺凸台1的距离设定在300mm～400mm之间，工艺凸台1与零件一体加工成形，用于将零件压紧在工装上，防止零件在加工过程中移动，半精加工完成后，完全松开半精加工工序完成后的零件装夹，并进行自然时效，其中，自然时效的时间为720h以上。

步骤S3、所述零件自然时效后会因为内应力释放而产生翘曲变形，在变形后的零件的各工艺凸台1下面放置等高垫块5进行支承，使零件悬空放置在水平工作台6上，每个工艺凸台1下面均对应设置有一个等高垫块5，用塞尺分别测量变形后的零件上各工艺凸台1下表面与等高垫块5上表面Z向的间隙值4，如图4所示，具体地：

零件悬空稳定放置时零件最低处距离水平工作台6平面大于等于50mm，由于零件自然时效后发生变形，悬空稳定放置需保证至少有3个工艺凸台1下表面与等高垫块5上表面Z向的间隙值4为0。

步骤S4、将S1中所述数字模型导入到有限元分析软件，定义模型单元、截面和材料属性，完成单元网格划分，建立有限元模型，其具体包括：

将S1中所述数字模型以stp格式导入到有限元分析软件ABAQUS中，定义模型单元、截面和7050-T7451铝合金材料属性，定义近似全局尺寸为5，完成单元网格划分，建立有限元模型。

步骤S5、以S3中测量得到的Z向间隙值4为位移载荷，在相应的各工艺凸台1下表面上施加与Z向间隙值4相等的Z向位移载荷以及其它自由度的固定约束，基于有限元求解出零件应变分布情况，即零件上各点应变值ε _i ，其中最大应变值为ε _max，用实际变形值作为位移载荷，真实地反映了零件所受残余应力情况，由此所得的应变分布仿真分布也更为真实准确，其中位移载荷的大小等于间隙值，位移载荷的方向为Z轴向上。

步骤S6、在每个腹板区域2中部选取一点，使用机床在线测量系统测量这些点的空间坐标值，以这些点的最小二乘平面作为评定基准面，计算零件的平面度P _f ，并计算零件设计要求平面度P _s 与零件平面度P _f 的比值，作为平面度比值κ，若κ大于等于1，则零件的平面度未超差，若κ小于1，则零件的平面度超差，且零件平面度超差越严重，κ的值越小，从而实现有针对性地根据不同变形零件个体划分不同变形区域，为不同加工工艺，不同大小的零件定制出精确的加筋方案，其中，零件平面度P _f 的计算方法是，以评定基准面作为基准平面计算各测量点到基准平面的绝对距离值，取最大值作为该零件的平面度。其中在测量时使用机床在线测量系统，避免了对零件二次装夹引起的装夹误差。

步骤S7、后续精加工工序均采用无应力夹紧方式进行夹紧，根据κ的大小判定是否存在应变严重区，设定κ的阈值为κ _l ，同时引入安全系数n，令κ _l =1/n，如果κ大于等于κ _l ，则按照正常精加工工序进行加工，无需加筋；如果κ小于κ _l ，则根据κ、ε _max和n，则界定出应变严重区和应变非严重区，并对应变严重区进行加筋，具体过程如下：计算应变值的阈值函数L=n·κ·ε _max，将S5中仿真结果应变值ε _i 大于L小于等于ε _max的区域设定为应变严重区7，其余区域设定为应变非严重区8，所述两区均包含了零件的正反两面，首先精加工应变非严重区8，先释放应变非严重区8的内应力，再精加工应变严重区7，且在精加工应变严重区时在其每个腹板区域9预留设置十字形工艺加强筋10，增加应变严重区7的刚度。零件两面精加工完成后再将十字形工艺加强筋去除，具体地：

无应力夹紧方式为使用浮动工装，调整各浮动工装高度，使其上支撑平面与零件工艺凸台1下表面贴合后再压紧。取安全系数n=0.8，则κ _l =1/n=1.25，L=0.8·κ·ε _max。如图5所示，S5中仿真结果大于L小于等于ε _max的12个区域为应变严重区7，其余区域为应变非严重区8。十字形工艺加强筋10设置在应变严重区每个腹板区域9中心，高度为3mm，宽度为10mm。

上述结果表明，针对超大型薄壁零件半精加工工序完成后，大部分余量被去除，零件刚性变弱，材料的内应力释放导致变形的问题，本发明提出的基于位移载荷仿真分析的零件变形控制方法，能够针对特定零件特定工序的变形情况，在位移载荷下仿真得到零件的具体应变分布情况，根据零件的平面度超差情况判定是否存在应变严重区，如果存在则通过先加工应变非严重区以提前释放应变非严重区的内应力，并在应变严重区预留设置十字形工艺加强筋的方法，保证零件应变严重区的刚性，有效地控制其后续加工变形。

本实施例的方法，超大型薄壁零件毛坯的内应力不同，造成零件半精加工自然时效结束后零件的变形情况也不同，本发明通过自然时效后的真实位移值作为位移载荷，基于有限元分析求解得到零件各有限元单元点位的应变值，基于最大应变值和反映零件整体变形情况的平面度比值，构造出界定零件应变严重区的应变阈值函数，由此精确界定出应变严重区和应变非严重区，后续精加工时先加工应变非严重区，提前释放零件应变非严重区的内应力，且在加工应变严重区时预留设置十字形工艺加强筋，对零件应变严重区进行针对性加强，从而精确控制零件的加工变形。本发明可以针对特定零件特定工序的变形情况有效地控制其后续加工变形，且零件的位移载荷仿真分析可以在零件自然时效快结束的阶段进行，不占用零件加工时间，工艺加强筋的后期去除也较为简单。因此，本发明能够在不降低加工效率的情况下有针对性的有效控制零件的变形，具有较强的实用性。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用建模软件，建立超大型薄壁零件半精加工工序完成后理想无变形状态的数字模型并保存，所述零件半精加工工序完成后包括若干个腹板、孔、工艺凸台；

S2、对所述零件进行粗加工和半精加工，所述零件四周和中间两个孔处设置有若干个Z向等高的工艺凸台，相邻两个所述工艺凸台的距离设定在300mm～400mm之间，所述工艺凸台与零件一体加工成形，用于将零件压紧在工装上，防止所述零件在加工过程中移动，半精加工完成后，完全松开半精加工工序完成后的零件装夹，并进行自然时效；

S3、所述零件自然时效后因内应力释放而产生翘曲变形，在变形后的零件的各工艺凸台下面放置等高垫块进行支承，使零件悬空放置在水平工作台上，每个工艺凸台下面均对应设置有一个等高垫块，用塞尺分别测量变形后的零件上各工艺凸台下表面与对应等高垫块上表面Z向的间隙值；

S4、将S1中所述数字模型导入到有限元分析软件，定义模型单元、截面和材料属性，完成单元网格划分，建立有限元模型；

S5、根据S3中测量得到的Z向间隙值，在相应的各工艺凸台下表面上施加与Z向间隙值相等的Z向位移载荷以及其它自由度的固定约束，基于有限元求解出零件应变分布情况，即零件上各点应变值ε _i ，其中最大应变值为ε _max；

S6、在每个腹板中部选取一点，测量这些点的空间坐标值，以这些点的最小二乘平面作为评定基准面，计算零件的平面度P _f ，并计算零件设计要求平面度P _s 与零件平面度P _f 的比值作为平面度比值κ，若κ大于等于1，则零件的平面度未超差，若小于1，则零件的平面度超差，且零件平面度超差越严重，κ的值越小；

S7、后续精加工工序均采用无应力夹紧方式进行夹紧，根据κ的大小判定是否存在应变严重区，设定κ的阈值为κ _l ，同时引入安全系数n，令κ _l =1/n，如果κ大于等于κ _l ，则按照正常精加工工序进行加工，无需加筋；如果κ小于κ _l ，则根据κ、ε _max和n，则界定出应变严重区和应变非严重区，并对应变严重区进行加筋，具体过程包括：计算应变值的阈值函数L=n·κ·ε _max，将S5中仿真结果应变值ε _i 大于L小于等于ε _max的区域设定为应变严重区，其余区域设定为应变非严重区，所述应变严重区和应变非严重区均包含了零件的正反两面，首先精加工所述应变非严重区，先释放所述应变非严重区的内应力，再精加工所述应变严重区，并在精加工所述应变严重区时在其每个腹板区域预留设置十字形工艺加强筋，增加应变严重区的刚度，零件两面精加工完成后再将十字形工艺加强筋去除。

2.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S1中超大型薄壁零件长度大于等于3m，宽度大于等于1.5m，腹板厚度为2mm。

3.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S2中自然时效的时间为720h以上。

4.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S3中零件悬空稳定放置时零件最低处距离水平工作台平面大于等于50mm，由于零件自然时效后发生变形，悬空稳定放置需保证至少有3个工艺凸台下表面与等高垫块上表面Z向的间隙值为0。

5.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S4中数字模型以stp格式导入有限元分析软件ABAQUS中。

6.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S5中位移载荷的大小等于间隙值，位移载荷的方向为Z轴向上。

7.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S6中零件平面度P _f 的计算方法是，以评定基准面作为基准平面计算各测量点到基准平面的绝对距离值，取最大值作为该零件的平面度。

8.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S7中无应力夹紧方式为使用浮动工装，调整各浮动工装高度，使其上支撑平面与零件工艺凸台下表面贴合后再压紧。

9.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S7中，安全系数n介于0.7~1，κ _l 等于1/n。

10.根据权利要求1所述的基于位移载荷仿真分析的超大型薄壁零件变形控制方法，其特征在于，所述S7中，十字形工艺加强筋设置在腹板中心，高度为3mm，宽度为10mm。

Images