一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法技术

本发明专利技术提供了一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法，针对由切削力引起的大型复杂结构件的加工变形有限元仿真，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，基于切削力载荷连续自动施加和依次卸载技术，提出一种完整结构、全尺寸的有限元仿真预测方法，该方法可以在不进行结构简化和尺寸缩比的条件下，对切削力引起的加工变形进行快速、准确的仿真计算，提高大型复杂结构件加工变形有限元仿真计算的效率，实现大型复杂结构件加工变形的精准预测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械制造领域，具体涉及大型复杂结构件加工变形有限元预测方法。
技术介绍
随着我国大型飞机、载人航天等国家重大专项的实施，在大型飞机、大型舰船和航天飞行器等重大国防装备研宄制造中，大型复杂整体构件的应用越来越广泛。随着大型装备使役性能的日益提高，对大型复杂构件的低变形高质量加工制造提出了迫切要求。国外航空制造发达国家都非常重视航空薄壁零件数控加工变形问题的研宄。美国三波公司依托密西根大学等若干所著名大学，共同研宄和开发了能够有效抑制整体结构件数控加工变形的工艺路线优化理论和有限元模拟软件；法国巴黎航空工业学院与国家宇航局针对航天飞行器整体结构件设计与制造问题，建立了专门的强度实验室，深入研宄加工变形的工艺控制和安全校正等问题Tlusty等人针对薄壁件的变形问题提出有效利用零件的未加工部分作为支撑，从而充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案；日本的岩部洋育等人针对切削力引起的薄壁零件的“让刀”变形，提出平行双主轴加工方案；Haruk1.0BAR等人提出将低熔点的合金浇注入薄壁结构型腔，从而大大提高工件的刚度，有效抑制加工变形；S.Ratchev等人建立了切削弱刚度零件时的切削力模型，并针对切削力、切削热引起的变形提出了误差补偿方案。国内对航空薄壁件的加工变形问题的研宄主要集中在南京航空航天大学、西北工业大学、浙江大学、山东大学、北京航空航天大学、航天625所和成都飞机制造公司等高校、研宄所和航空制造企业。康小明等人从工艺参数的角度出发研宄了航空整体结构件的加工变形规律，提出了抑制其变形的一些工艺措施；南京航空航天大学武凯等人针对薄壁件的加工变形问题，引入轴向力算法，并考虑让刀变形因素，创建了薄壁件铣削加工瞬态空间受力模型，利用该模型研宄了侧壁、腹板的受力变形基本规律及相应的变形控制工艺措施，同时研宄了拐角处的变形控制工艺方案，最后在兼顾考虑其它影响因素(热变形、内应力变形等)的前提下，制定了薄壁件高效精密数控加工工艺方案，但其出发点主要是刀具对工件的切削力作用；西北工业大学的万敏等人基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法，研宄了零件铣削加工中的变形，并预测了加工表面误差，其分析过程重点考虑了切削力作用下零件的静态弹性变形；山东大学的路冬等人提出了采用遗传算法与有限元法相结合的方法，确定航空整体结构件夹紧点位置及其夹紧点数目递推优化算法，对装夹布局进行优化；浙江大学的黄志刚等人在研宄了残余应力施加、动态切削载荷、约束转换等铣削加工模拟关键技术的基础上，采用热-力耦合模型对简单的三框类零件进行了奇偶铣削、偶奇铣削和顺序铣削三种加工顺序下零件的变形预测；浙江大学成群林等人在构建铝合金材料本构关系模型基础上，通过将实际零件的铣削加工过程进行合理简化，建立整体结构件铣削加工模拟的有限元模型，并利用开发的软件系统，对大型航空整体结构件铣削加工进行数值模拟，预测其加工变形规律；北京航空航天大学王运巧、梅中义等人采用数值模拟技术分析了航空整体弧形结构件和长梁零件的加工变形，分析过程考虑了工件初始残余应力、切削力、装夹等因素，其分析过程没有考虑切削热和加工引入残余应力的影响。目前，有限元软件采用三维动态加工显式仿真技术很难实现大型复杂结构零件的快速、全尺寸、完整结构的仿真计算。以计算一个长lm、宽0.6m、高0.05m的航空整体结构件加工变形为例，使用ABAQUS软件，采用三维动态加工显式仿真技术，在高性能工作站(CPU:2.6GHz、2核32线程，内存:128GB，操作系统:64位)上进行加工变形的仿真计算，计算时间一般需要20天以上。如果仿真过程中增加残余应力对加工变形的影响的计算，仿真时间成倍增加。国内外对于大型复杂结构件加工变形的研宄工作都进行了不同程度的简化，如进行零件结构的简化、整体尺寸成比例的缩小等。实际加工表明，采用缩比、简化结构的零件，其加工变形有限元仿真计算结果与企业实际加工过程的测量结果相差较大，不具备很好的实际指导意义，所以研宄大型复杂结构零件全尺寸、完整结构的快速有限元计算技术具有实际的工程应用意义。
技术实现思路
本申请通过提供，针对由切削力引起的大型复杂结构件的加工变形有限元仿真，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，基于切削力载荷连续自动施加和依次卸载技术，提出一种完整结构、全尺寸的有限元仿真预测方法，该方法可以在不进行结构简化和尺寸缩比的条件下，对切削力引起的加工变形进行快速、准确的仿真计算，提高大型复杂结构件加工变形有限元仿真计算的效率，实现大型复杂结构件加工变形的精准预测，解决了现有技术中仿真过程漫长、以及因采取简化、缩比结构件导致的预测结果偏差大的技术问题。为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现: ，包括以下步骤: S1:创建有限元仿真模型； 52:选择加工变形大的走刀轨迹； 53:创建走刀轨迹的节点集合； 54:提取走刀轨迹节点集合的信息数据； 55:创建一个静力隐式分析步； 56:根据切削参数，计算切削力载荷； 57:以走刀轨迹节点集合的某一节点为当前节点对象，加载切削力载荷； 58:卸载前一个节点切削力载荷； 59:通过有限元仿真计算，预测加工变形； 510:判断是否一条走刀轨迹集合中所有节点是否循环结束，如果是，则进入步骤S11，否则，跳转到步骤S5 ; 511:分析识别最大加工变形所在节点及所在的分析步； 512:判断是否遍历了所有走刀轨迹，如果是，则得到了刀具运动到所有走刀轨迹各个节点的最大加工变形，从而结束进程，否则，跳转到步骤S4。在上述方法中，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，有效的提高了大型复杂结构件加工变形的有限元仿真计算效率；基于ABAQUS软件的二次开发技术，提出了切削力载荷连续自动施加和依次卸载的技术，为大型复杂结构件完整结构、全尺寸加工变形快速有限元仿真提供有效的实现手段。进一步地，通过设置步骤S5到步骤S8的循环步长来改变分析步的数量。在实际操作中，可以根据实际情况，设置循环操作步长，减少分析步的数量，从而提高仿真计算的速度，实现快速仿真的目的。进一步地，步骤S当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：创建有限元仿真模型；S2：选择加工变形大的走刀轨迹；S3：创建走刀轨迹的节点集合；S4：提取走刀轨迹节点集合的信息数据；S5：创建一个静力隐式分析步；S6：根据切削参数，计算切削力载荷；S7：以走刀轨迹节点集合的某一节点为当前节点对象，加载切削力载荷；S8：卸载前一个节点切削力载荷；S9：通过有限元仿真计算，预测加工变形；S10：判断是否一条走刀轨迹集合中所有节点是否循环结束，如果是，则进入步骤S11，否则，跳转到步骤S5；S11：分析识别最大加工变形所在节点及所在的分析步；S12：判断是否遍历了所有走刀轨迹，如果是，则得到了刀具运动到所有走刀轨迹各个节点的最大加工变形，从而结束进程，否则，跳转到步骤S4。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑耀辉，王明海，王奔，李晓鹏，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21