基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，包括：步骤一，关重件模型简化和铸造系统三维建模；步骤二，关重件铸造过程有限元仿真；步骤三，关重件铸造应力场的系数修正；步骤四，关重件机加工残余应力仿真；步骤五，关重件热时效过程残余应力有限元仿真。本发明专利技术实现了铸造、切削和热时效过程的多工序连续仿真；且其以盲孔法试验测量值为参考，提取关重件铸造仿真对应点的应力值，通过MATLAB运用最小二乘法拟合出对应点的试验值和仿真值误差最小的修正系数，然后对整个铸造应力场数据进行修正，提高了有限元仿真的计算精度，并解决了准确将横梁修正后的铸造应力场导入到ABAQUS中的技术问题。

Multi process continuous modeling and simulation method for residual stress of machine tool heavy parts based on finite element method

The invention discloses a multi process modeling and simulation method based on finite element method for the residual stress of machine tool. It includes step 1, simplification of heavy parts model and three-dimensional modeling of casting system; step two, finite element simulation of casting process of heavy parts; step three, coefficient correction of stress field in the casting of heavy parts; step four. Simulation of residual stress in heavy machining process; step five, finite element simulation of residual stress during heat aging process. The invention realizes the multi process continuous simulation of casting, cutting and hot aging process, and taking the test measurement value of the blind hole method as reference, extracting the stress value of the corresponding point of the casting simulation of the heavy parts, and fitting the correction coefficient of the test value of the corresponding point and the minimum error of the simulation value by using the least square method by the MATLAB, and then to the whole casting. The data of the stress field is corrected to improve the calculation precision of the finite element simulation, and the technical problem of introducing the cast stress field of the transverse beam to the ABAQUS is solved.

【技术实现步骤摘要】
基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法
本专利技术涉及机械制造
，特别涉及一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法。
技术介绍
数控机床作为装配制造业的“工作母机”，其技术水平和产品质量是衡量制造业发展的重要标志。国产数控机床的精度在使用过程中会逐渐变差，而数控机床关重件的精度保持性是影响机床精度的主要原因之一。数控机床的关重件由于结构复杂，在铸造、机加工、时效处理等工艺中，关重件各部位间的温度变化速度不同导致残余应力的产生，且关重件内部残余应力释放引起的变形是导致数控机床精度保持性变差的主要原因。目前我国机床生产单位对机床关重件的残余应力重视度不够，且关重件残余应力消减工艺不规范以及未对残余应力消减效果进行定量分析和评估；而通过盲孔法试验只能测量关重件有限个点的残余应力，得不到连续加工过程中关重件整体残余应力分布规律，从而不能对关重件内部残余应力做出相关工艺调控，导致部分关重件在装配时内部残留较大的应力，在后期的部件装配和机床服役过程中内部残余应力释放产生变形，降低关重件的几何精度，若变形不大可再次时效处理，变形较大则可能导致部件报废，从而增加了企业的生产制造成本。因此有必要得到机床关重件在制造过程中的残余应力变化规律，更好地评价热时效过程中残余应力的消减效果，以便于调控制造过程中关重件内部残余应力。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，以得到机床关重件在制造过程中的残余应力变化规律，分析机床关重件在热时效工序中其内部残余应力的消除率，评估各工序中关重件内部应力状态，进而便于调控优化关重件的制造工艺，降低机床关重件生产制造成本。本专利技术基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，包括以下步骤：步骤一：关重件铸造系统三维建模1)根据机床关重件的实际铸件工艺，应用三维建模软件简化关重件的三维模型；2)应用三维建模软件设计出关重件的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口，并将关重件铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出；3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中；步骤二：关重件铸造过程有限元仿真1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注系统、冒口、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型；2)设置铸件、浇注系统、冒口以及砂箱的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程中的温度场和铸造应力场；步骤三：关重件铸造应力场的系数修正1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件导轨面上有限个点的残余应力值；2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为对应点的铸造仿真应力值为Sk，k为测量点的个数，通过最小二乘法当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a，然后将关重件铸造应力场仿真值乘以该修正系数a，完成对整个关重件铸造应力场数据的修正；步骤四：关重件机加工残余应力仿真1)加载铸造仿真网格模型和系数修正后的铸造应力场，其包括：将有限元网格模型inp格式文件导入ABAQUS中，并把修正后的关重件铸造应力场用Excel编辑处理后，通过编辑模型关键字加载铸造应力场；2)切削仿真参数设置，其中切削仿真中密度、弹性模量、泊松比、热传导系数等与铸造中的材料属性参数一致，并采用单元生死法模拟切削加工中的材料去除，得到铸件材料切削去除后的应力场；步骤五：关重件热时效过程残余应力有限元仿真关重件热时效过程残余应力有限元仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；关重件热时效仿真采用温度-位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；1)瞬态热分析得到关重件热时效过程的温度场变化，包括步骤：a、在ABAQUS中导入切削仿真后的有限元网格模型；b、设置与铸造、切削相同的材料属性参数；c、修改分析类型和有限元网格单元类型；d、结合实际热时效工艺加载温度参数和设置预定义温度场，提交Job文件仿真得到热时效过程中温度场的变化结果；2)非线性结构分析，包括步骤：e、复制瞬态热分析有限元仿真模型；f、修改单元分析类型为静力通用和网格单元类型为三维实体单元，设置结构分析中的边界条件；g、导入瞬态热分析中的温度场变化结果；h、将关重件材料切削去除后的应力场作为热时效模拟预应力加载至有限元模型，并导入瞬态热分析中温度场变化的结果，提交Job文件仿真得到热时效后关重件的残余应力。进一步，在步骤一中应用三维建模软件简化关重件的三维模型，包括去除关重件的螺纹孔、倒角、以及消隙等小特征。进一步，在步骤五的瞬态热时效分析中，通过如下方法加载热时效工艺温度参数：1)将带有有限元网格模型的inp文件导入到Hypermesh中，通过Hypermesh建立关重件的表面节点集合；2)将带有关重件表面节点集的有限元网格模型文件导入ABAQUS中，然后将实际的热时效工艺温度载荷加载至关重件表面节点集上。本专利技术的有益效果：1、本专利技术基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其应用专业铸造软件ProCAST和工程模拟软件ABAQUS实现铸造、切削和热时效工序之间的连续仿真，得到制造过程中各个工序加工后关重件的残余应力场，实现了铸造到切削过程的连续仿真。2、本专利技术基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其以盲孔法试验测量值为参考，提取关重件铸造仿真对应点的应力值，通过MATLAB运用最小二乘法拟合出对应点的试验值和仿真值误差最小的修正系数，然后对整个铸造应力场数据进行修正，提高了有限元仿真的计算精度，解决了铸造过程中的有限元仿真值和盲孔法试验值吻合度不高的问题。3、本专利技术基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其通过ABAQUS的温度-位移间接耦合模式模拟关重件热时效，由于关重件结构复杂不易选择其表面节点，本方法通过Hypermesh建立关重件表面节点集合，再以inp格式文件导入ABAQUS中实现关重件表面节点的温度工艺参数加载，解决了关重件结构复杂不易选择其表面节点的难题。附图说明图1机床关重件残余应力多工序连续仿真方法的流程图。图2横梁关重件和浇注系统的有限元网格模型。图3横梁关重件铸造残余应力场，图中EffectiveStres：等效应力。图4导入ABAQUS修正后的横梁铸造应力场。图5横梁关重件切削仿真残余应力场。图6横梁关重件热时效后残余应力场。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐释本专利技术。应理解本实施例中以数控龙门机床横梁为例的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真分析仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域
人员对本专利技术的各种等价形式的修改均属于所附权利要求所限定的范围。根据附图1所示的关重件多工序连续仿真流程，从浇注系统、冒口、砂箱建模，关重件铸造应力仿真，关重件铸造应力仿真值修正，关重件机加工应力仿真，关重件热时效应力仿真五个方面对本专利技术进行详细的阐述。在各个制造工序完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：关重件铸造系统三维建模1)根据机床关重件的实际铸件工艺，应用三维建模软件简化关重件的三维模型；2)应用三维建模软件设计出关重件的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口，并将关重件铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出；3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中；步骤二：关重件铸造过程有限元仿真1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注浇注系统、冒口、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型；2)设置关重件、浇注系统、砂箱、以及型砂的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程温度和应力的变化规律；步骤三：关重件铸造应力场的系数修正1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件上有限个点的残余应力值；2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为...

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：关重件铸造系统三维建模1)根据机床关重件的实际铸件工艺，应用三维建模软件简化关重件的三维模型；2)应用三维建模软件设计出关重件的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口，并将关重件铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出；3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中；步骤二：关重件铸造过程有限元仿真1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注浇注系统、冒口、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型；2)设置关重件、浇注系统、砂箱、以及型砂的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程温度和应力的变化规律；步骤三：关重件铸造应力场的系数修正1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件上有限个点的残余应力值；2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为对应点的铸造仿真应力值为Sk，k为测量点的个数，通过最小二乘法当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a，然后将关重件铸造应力场仿真值乘以该修正系数a，完成对整个关重件铸造应力场数据的修正；步骤四：关重件机加工残余应力仿真1)加载铸造仿真网格模型和系数修正后的铸造应力场，其包括：将有限元网格模型inp格式文件导入ABAQUS中，并把修正后的关重件铸造应力场用Excel编辑处理后，通过编辑模型关键字语句加载铸造应力；2)切削仿真...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国龙，谢天明，李晓卓，张根保，石昊，李照山，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50