CN114444347A - 基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，属于机械加工制造领域，该方法包括以下步骤：获取大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件，建立刀具坐标系与工件坐标系间的转换矩阵；在有限元软件中基于python脚本语言编写程序，为大型曲面薄壁件动态施加方向不断变化的切削力载荷，模拟镜像铣削加工过程中辅助支撑跟随刀具实时移动的实际支撑状态和实际装夹状态；最后将建立的有限元模型提交求解得到大型曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形预测模型。该方法可以提高大型薄壁曲面件镜像铣削加工变形的预测精度、降低仿真计算时间和经济成本，对研究大型曲面薄壁件的加工变形控制策略具有重要指导作用。

Description

基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法

技术领域

本发明涉及机械加工制造方法，尤其涉及一种基于有限元分析的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形预测方法。

背景技术

在航空航天产品上使用了众多的大型曲面薄壁构件，例如重型运载火箭的贮箱箱底由一系列的瓜瓣状曲面件拼焊形成、箭体由一系列的大型弧状薄壁壁板焊接形成。但是大型曲面薄壁件的高精度加工是一大难题，由于大型薄壁件的尺寸超大、壁厚超薄、形状十分复杂，生产制造过程中虽然采用镜像铣削的加工工艺，但是在自重、切削力、切削振动的耦合作用下仍极易发生变形，严重影响大型曲面薄壁件加工的形状精度和力学承载性能。因此建立大型曲面薄壁构件加工过程中的变形预测模型对提高其加工制造质量和精度具有重要的理论意义和实用价值。

目前，已经提出了许多通过有限元数值仿真来建立大型曲面薄壁构件加工变形预测模型的分析方法，但现有的技术方案尚不能满足大型薄壁曲面构件镜像铣削加工变形预测的要求。中国专利CN201510234973.6公开了一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法，该发明采用多个连续静力隐式分析步模拟三维动态切削加工显式计算的方法，缩短了仿真计算时间且可以实现加工变形的有限元快速预测。但该发明中切削力的加载过程繁琐且复杂，需要依靠大量实验建立切削力的经验公式；且应用对象为形状规则的薄壁结构件，对切削力方向时刻变化的复杂曲面薄壁件的适应性较差。于金等人在《ABAQUS二次开发及在曲面薄壁件加工变形模拟中的应用》中提出了一种大型曲面薄壁件加工变形的有限元快速仿真预测方法，通过对真空吸盘吸附区域节点施加完全约束来模拟工件的实际装夹状态，并利用生死单元技术和切削力的循环加载获得了工件的加工变形云图。但是镜像铣削过程中辅助支撑跟随刀具实时移动，始终与刀具轴线保持一致，并不是真空吸盘施加的固定不动的约束，因此该方法并不适用于镜像铣削加工变形预测。

尽管薄壁件加工变形预测的研究方法较多，但由于曲面薄壁构件的加工变形规律复杂，目前针对大型曲面薄壁件镜像铣削加工中的变形预测模型还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种镜像铣削过程中大型曲面薄壁件的加工变形预测方法，可以实现对复杂曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的预测，使仿真结果更加准确，为研究控制加工变形策略和提高制造精度提供重要参考和依据。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

本发明的基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，包括以下步骤：

步骤一、创建大型曲面薄壁构件的三维模型并导入UG软件，在UG软件中采用可变轮廓铣方法生成大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件；

步骤二、根据刀位文件中刀具的位置信息，建立工件坐标系{W}和刀具坐标系{D}之间的转换矩阵T；

步骤三、在ABAQUS有限元软件中创建大型曲面薄壁构件的有限元仿真模型，赋予大型曲面薄壁构件材料属性并进行网格划分，在划分网格时对铣削区域部分进行网格细化，以保证仿真结果的精度；

步骤四、根据刀位文件中的刀具轨迹信息，选择刀具路径上需要切除材料的网格单元和节点，基于Python脚本语言编写程序，批量创建需要切除材料部位的节点集合和网格单元集合；

步骤五、在ABAQUS有限元软件中创建静力隐式分析步，并通过设置该静力隐式分析步的场变量输出和历程变量输出以在后处理模块查看曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形云图；

步骤六、为大型曲面薄壁构件设置有限元仿真边界条件，具体过程为：基于Python脚本语言编写程序创建圆形的节点集合代替沿镜像铣削辅助支撑轴线均匀分布的六个球形支撑头，在创建的静力隐式分析步中为创建的圆形节点集合中的所有节点施加完全约束，以此来模拟大型曲面薄壁构件实际加工过程中的辅助支撑状态；

步骤七、为大型曲面薄壁构件动态施加铣削力载荷，具体过程如下：

第一步，在静力隐式分析步中，把刀具做隐藏处理，直接将铣削力载荷通过需要切除材料的节点施加到工件上；施加到需要切除材料的节点上的铣削力F_W通过以下方法获得：

步骤101，将通过实验测得在刀具坐标系{D}下X_D、Y_D、Z_D三个方向的铣削力曲线在时域上进行离散；

步骤102，刀具坐标系下的铣削力转换到工件坐标系下属于逆向运动学变换，将得到的刀具坐标系{D}下与每一个离散点相对应的铣削力F_D通过坐标转换矩阵T^-1变换到工件坐标系{W}下得到铣削力F_W；

步骤103，将铣削力F_W依照时间先后顺序依次加载到需要切除材料部位的相应网格单元的节点上；

第二步，在该静力隐式分析步结束后，卸载施加在相应节点上的铣削力F_W，并利用生死单元技术删除与节点相对应的网格单元以模拟实际铣削过程中的材料去除；

步骤八、判断刀具轨迹中所创建的所有节点集合是否循环加载结束，如果是，则进入步骤九，否则，跳转到步骤五；

步骤九、设置工件装夹固定约束：根据大型曲面薄壁构件实际镜像铣削加工过程中的装夹状态，在大型曲面薄壁构件四周选取与装夹位置相对应的约束节点并建立约束节点集合，在初始分析步中对建立的约束节点集合施加完全固定约束；

步骤十、计算求解：将步骤三-步骤九建立的有限元模型提交到隐式求解器中进行分析求解；

步骤十一、在结果分析模块中查看有限元模型的模拟计算结果得到大型曲面薄壁构件的的残余应力场和加工变形云图。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的优点和积极效果是：

1.本发明方法可以在工件坐标系下为复杂的曲面薄壁件施加方向不断变化的切削力，能够模拟镜像铣削加工过程中辅助支撑的实际支撑状态，实现对复杂曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的预测，使仿真结果更加准确，得到的变形分布模型对控制加工变形和提高制造精度具有重要的指导价值。

2.本发明无需大量实验建立切削力的经验公式，可以避免耗费大量的资源，降低了时间成本，能够实现对大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的有限元快速预测。

附图说明

图1是本发明的基于有限元分析的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形预测流程图；

图2是本发明中实施例的贮箱箱底1/8瓜瓣状曲面薄壁构件三维模型；

图3是本发明中实施例的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工刀位文件；

图4是本发明中实施例的加工坐标系转换示意图；

图5是本发明中实施例的有限元仿真模型网格划分结果；

图6是本发明中实施例的镜像铣削加工过程中工件辅助支撑和装夹状态示意图；

图7是本发明中实施例的1/8瓜瓣状曲面薄壁构件的加工变形结果仿真云图。

附图标注：1、刀具；2、刀具轨迹；3、工件坐标系{W}；4、刀具坐标系{D}；5、待加工曲面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，本发明的基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，包括以下步骤：

步骤一、创建大型曲面薄壁构件(图2、图3所示为1/8瓜瓣曲面薄壁件的三维模型)的三维模型并导入UG软件，在UG软件中采用可变轮廓铣方法生成大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件(CLSF)，刀位文件的格式为：

GOTO/x,y,z,i,j,k (1)

式中，GOTO/是格式标识符，(x,y,z)和(i,j,k)分别为刀位点在工件坐标系中的坐标和刀轴矢量。

步骤二、根据刀位文件中刀具的位置信息，建立工件坐标系{W}和刀具坐标系{D}之间的转换矩阵T。

如图4所示，加工坐标系转换示意图包括刀具1、刀具轨迹2、工件坐标系{W}3、刀具坐标系{D}4和待加工曲面5。其中，工件坐标系{W}3即O_W-X_WY_WZ_W到刀具坐标系{D}4即O_D，i-X_DY_DZ_D的变换可以描述为：在待加工曲面5上，根据刀具轨迹2提取刀位文件中刀具1在刀位点O_W，i(即O_W,i-X_W,iY_W,iZ_W,i)处的刀轴位置信息，将工件坐标系下的刀位点O_W，i平移到刀具坐标系下的刀触点O_D，i处，以刀触点O_D，i为支点，绕着Y_D轴旋转前倾角λ，然后再绕Z_D轴旋转侧倾角ω，完成从工件坐标系到刀具坐标系的转换，坐标转换矩阵T如式(2)所示。

式中，λ＝arccos(k)，ω＝arctan(j/i)。

步骤三、在ABAQUS有限元软件中创建大型曲面薄壁构件的有限元仿真模型，赋予大型曲面薄壁构件材料属性并进行网格划分，在划分网格时对铣削区域部分进行网格细化，以保证仿真结果的精度，如图5所示；

步骤四、根据刀位文件中的刀具轨迹信息，选择刀具路径上需要切除材料的网格单元和节点，基于Python脚本语言编写程序，批量创建需要切除材料部位的节点集合和网格单元集合。

步骤五、在ABAQUS有限元软件中创建静力隐式分析步，并通过设置该静力隐式分析步的场变量输出和历程变量输出以在后处理模块查看曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形云图。

步骤六、为大型曲面薄壁构件设置有限元仿真边界条件，具体过程为：如图6所示，为保证镜像铣削辅助支撑在加工过程中跟随刀具实时移动并始终保持镜像铣削辅助支撑的轴线与刀具轴线方向一致，基于Python脚本语言编写程序创建圆形的节点集合代替沿镜像铣削辅助支撑轴线均匀分布的六个球形支撑头，在创建的静力隐式分析步中为创建的圆形节点集合中的所有节点施加完全约束(即与镜像铣削辅助支撑的六个球形支撑头一一对应的节点组成的圆形节点集合)，以此来模拟大型曲面薄壁构件实际加工过程中的辅助支撑状态。

步骤七、为大型曲面薄壁构件动态施加铣削力载荷，具体过程如下：

第一步，在静力隐式分析步中，把刀具做隐藏处理，直接将铣削力载荷通过需要切除材料的节点施加到工件上；施加到需要切除材料的节点上的铣削力F_W通过以下方法获得：

步骤101，将通过实验(采用现有方法即可，在实验过程中采用测力仪测量即可)测得在刀具坐标系{D}下X_D、Y_D、Z_D三个方向的铣削力曲线在时域上进行离散；

步骤102，如式(3)所示，刀具坐标系下的铣削力转换到工件坐标系下属于逆向运动学变换，将得到的刀具坐标系{D}下与每一个离散点相对应的铣削力F_D通过坐标转换矩阵T^-1变换到工件坐标系{W}下得到铣削力F_W；

步骤103，将铣削力F_W依照时间先后顺序依次加载到需要切除材料部位的相应网格单元的节点上；

第二步，在该静力隐式分析步结束后，卸载施加在相应节点上的铣削力F_W，并利用生死单元技术删除与节点相对应的网格单元以模拟实际铣削过程中的材料去除。

步骤八、判断刀具轨迹中所创建的所有节点集合是否循环加载结束，如果是，则进入步骤九，否则，跳转到步骤五。

步骤九、设置工件装夹固定约束：根据大型曲面薄壁构件实际镜像铣削加工过程中的装夹状态，在大型曲面薄壁构件四周选取与装夹位置相对应的约束节点并建立约束节点集合，在初始分析步中对建立的约束节点集合施加完全固定约束。

步骤十、计算求解：将步骤三-步骤九建立的有限元模型提交到ABAQUS/Standard(隐式求解器)中进行分析求解。

步骤十一、在结果分析模块中查看有限元模型的模拟计算结果得到大型曲面薄壁构件的的残余应力场和加工变形云图，如图7所示为1/8瓜瓣状曲面薄壁构件的加工变形结果仿真云图，通过加工变形云图可以得到工件的变形分布规律，对后续研究小变形、低应力的加工控制策略和进行加工工艺优化具有重要的参考意义。

以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、创建大型曲面薄壁构件的三维模型并导入UG软件，在UG软件中采用可变轮廓铣方法生成大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件；

步骤二、根据刀位文件中刀具的位置信息，建立工件坐标系{W}和刀具坐标系{D}之间的转换矩阵T；

步骤三、在ABAQUS有限元软件中创建大型曲面薄壁构件的有限元仿真模型，赋予大型曲面薄壁构件材料属性并进行网格划分，在划分网格时对铣削区域部分进行网格细化，以保证仿真结果的精度；

步骤四、根据刀位文件中的刀具轨迹信息，选择刀具路径上需要切除材料的网格单元和节点，基于Python脚本语言编写程序，批量创建需要切除材料部位的节点集合和网格单元集合；

步骤五、在ABAQUS有限元软件中创建静力隐式分析步，并通过设置该静力隐式分析步的场变量输出和历程变量输出以在后处理模块查看曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形云图；

步骤六、为大型曲面薄壁构件设置有限元仿真边界条件，具体过程为：基于Python脚本语言编写程序创建圆形的节点集合代替沿镜像铣削辅助支撑轴线均匀分布的六个球形支撑头，在创建的静力隐式分析步中为创建的圆形节点集合中的所有节点施加完全约束，以此来模拟大型曲面薄壁构件实际加工过程中的辅助支撑状态；

步骤七、为大型曲面薄壁构件动态施加铣削力载荷，具体过程如下：

第一步，在静力隐式分析步中，把刀具做隐藏处理，直接将铣削力载荷通过需要切除材料的节点施加到工件上；施加到需要切除材料的节点上的铣削力F_W通过以下方法获得：

步骤101，将通过实验测得在刀具坐标系{D}下X_D、Y_D、Z_D三个方向的铣削力曲线在时域上进行离散；

步骤102，刀具坐标系下的铣削力转换到工件坐标系下属于逆向运动学变换，将得到的刀具坐标系{D}下与每一个离散点相对应的铣削力F_D通过坐标转换矩阵T^-1变换到工件坐标系{W}下得到铣削力F_W；

步骤103，将铣削力F_W依照时间先后顺序依次加载到需要切除材料部位的相应网格单元的节点上；

第二步，在该静力隐式分析步结束后，卸载施加在相应节点上的铣削力F_W，并利用生死单元技术删除与节点相对应的网格单元以模拟实际铣削过程中的材料去除；

步骤八、判断刀具轨迹中所创建的所有节点集合是否循环加载结束，如果是，则进入步骤九，否则，跳转到步骤五；

步骤九、设置工件装夹固定约束：根据大型曲面薄壁构件实际镜像铣削加工过程中的装夹状态，在大型曲面薄壁构件四周选取与装夹位置相对应的约束节点并建立约束节点集合，在初始分析步中对建立的约束节点集合施加完全固定约束；

步骤十、计算求解：将步骤三-步骤九建立的有限元模型提交到隐式求解器中进行分析求解；

步骤十一、在结果分析模块中查看有限元模型的模拟计算结果得到大型曲面薄壁构件的的残余应力场和加工变形云图。

Images