大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯‑铣削过程的有限元仿真方法。所述方法包括以下步骤：建立板料的滚弯模型，板料为弹塑性体，并采用壳单元进行网格划分，以模拟板料的滚弯过程；通过子模型技术模拟切边过程，然后根据大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；模拟回弹过程。本发明专利技术的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯‑铣削过程的有限元仿真方法，能够精确控制大尺寸带台阶薄壁件的滚弯‑铣削过程，能够控制甚至消除加工过程中的回弹，避免了目前通常采用的后期校形或者多次滚弯等手段所导致的材料性能降低的缺陷。

The finite element simulation of roll bending milling process of large size thin-walled parts with steps of

The finite element simulation of roll bending milling process of the invention discloses a large size thin-walled parts with steps of. The method comprises the following steps: establishing a model of roll bending of sheet metal, sheet as elastic-plastic body, and the shell element, the roll bending process to simulate the sheet; through the sub model technology to simulate the cutting process, then according to the parts of the structure of large size thin-walled parts with step milling area segmentation the sheet, the shell element in different regions and modify the sheet thickness, the milling process simulation of large size stepped thin-walled parts; springback simulation. The finite element simulation of roll bending milling process of large size of the invention with step thin-wall parts, it can accurately control the milling roll bending process of large size thin-walled parts with steps, to control or even eliminate the rebound in the process, to avoid the defects reduce the material properties in the late school form which is now commonly used repeatedly or roll the other means.

【技术实现步骤摘要】
大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法
本专利技术涉及机械加工及成形仿真领域，尤其涉及大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法。
技术介绍
为了满足安全、经济、舒适、环保的综合要求，新型商用飞机在机体材料和结构的选择上，一方面选用铝合金、铝锂合金等密度小、比强度高的轻质材料，另一方面大量采用多台阶薄壁结构，如机头、中后机身蒙皮等，通过对蒙皮壁板局部减薄，形成多台阶薄壁结构，可使蒙皮壁板重量减轻40％以上。其中，单曲率带台阶薄壁结构是飞机蒙皮壁板的典型轻质结构形式，通过滚弯成形单曲率大尺寸板材，并进行铣削加工得到单曲率带台阶薄壁结构件。滚弯是利用两至四根同步旋转的辊轴，使板材产生连续塑性弯曲并通过控制辊轴间距实现零件所需曲率的成形方法，在飞机钣金件制造中得到了广泛的应用。飞机生产中，滚弯工艺主要用于成形机身、机翼蒙皮，油箱外蒙皮等单曲率零件，成形后一般要经过化学铣削或者机械铣削除去多余材料达到结构需求和减重目的。蒙皮结构件是构成飞机气动外形的重要零件，承担承受和传递载荷的作用，因而形状精度要求很高。但在滚弯过程中，板材最终的曲率受到材料自身性能、摩擦、回弹等多因素的影响，尺寸精确控制比较困难，特别是大尺寸零件的滚弯过程中，其回弹现象更为严重。同时在化学铣切或机械铣削过程中由于铣切形状、深度等因素的影响会造成进一步的回弹变形，进一步增加了零件制造精度控制的难度，对零件的尺寸精度和生产效率造成极大的影响。在实际生产中，一般通过后期校形或者多次滚弯等手段对回弹进行控制或者消除。然而，这些操作会导致材料性能的降低，因而精确控制蒙皮滚弯-铣削过程的回弹对当前飞机大尺寸蒙皮结构件成形具有重要意义。采用传统的“试错法”实现蒙皮滚弯-铣削回弹的控制需要大量的验证试验，同时精度也难以保障。而利用有限元仿真研究弯曲成形可以较全面的分析滚弯过程各因素对加工精度的影响，但是有限元仿真技术在滚弯和铣削过程的集成仿真上的应用和研究还处于空白。为此，亟需一种适用于大尺寸带台阶薄壁件滚弯-铣削全过程的有限元仿真方法，来为带台阶薄壁件的设计制造，例如飞机蒙皮件的设计制造，提供仿真分析和理论研究的有效手段，从而精确控制大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程，对加工过程中的回弹进行控制或者消除，以避免目前通常采用的后期校形或者多次滚弯等手段所导致的材料性能的降低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中通过后期校形或者多次滚弯等手段对大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程中的回弹进行控制，会导致薄壁件的材料性能降低的缺陷，提出一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：本专利技术提供了一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，其特点在于，所述有限元仿真方法包括以下步骤：步骤一、建立板料的滚弯模型，所述板料为弹塑性体，并采用线性减缩积分壳单元进行网格划分，所述滚弯模型用于模拟板料的滚弯过程，所述滚弯过程包括板料的弯曲、滚弯和回弹；步骤二、基于所述滚弯模型模拟所述滚弯过程后的结果，通过子模型技术模拟切边过程，其中切边过程去除板料的边缘平直部分而保留中间的均匀变形区域，然后根据所述大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟所述大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；步骤三、基于步骤二模拟铣削过程得到的工件，进行回弹过程的模拟，回弹过程的模拟包括关闭真空吸附系统，使铣削得到的工件在真空平台上处于无约束自由变形状态，在所述工件的底面选择板料的中心处呈十字形的五个点，约束所述五个点的位移和转动以进行板料铣削后的回弹计算，其中对所述五个点的约束条件为，中心点被完全固定，而其他四个点则被约束为最大限度减少对回弹变形的影响。较佳地，对所述五个点中除中心点外的其他四个点的约束条件为：相对中心点以第一轴向分布的两点，其第二轴向的平移自由度以及绕第一轴向及绕第三轴向的旋转自由度受到约束；相对中心点以第二轴向分布的两点，其第一轴向的平移自由度以及绕第二轴向及绕第三轴向的旋转自由度受到约束；其中第一轴向、第二轴向、第三轴向相互垂直，且第二轴向为板料滚弯的方向。较佳地，步骤一中，采用离散刚体建模一个上滚筒、两个下滚筒作为与板料发生接触及挤压的部件，并按照大尺寸带台阶薄壁件的滚弯成形过程控制滚筒的运动，模拟滚弯过程。较佳地，所述滚弯过程的模拟包括以下三个分析步：第一步，所述上滚筒下压以使得板料弯曲，通过调整上滚筒的下压量实现对滚弯过程的弯曲半径的控制；第二步，所述上滚筒保持下压状态不变并自转，通过与板料的摩擦接触实现板料的滚弯，所述下滚筒随动，使得板料由一侧边缘开始滚弯，滚弯到另一侧边缘后所述上滚筒反转，回到下压状态的起始位置停止；第三步，滚弯终止，所述上滚筒抬升，板料发生回弹。较佳地，步骤一中，开启沙漏刚度增强控制以避免所述滚弯过程中板料出现沙漏。较佳地，所述有限元仿真方法采用ABAQUS软件实施。较佳地，步骤一中的计算采用显式算法Explicit进行计算。较佳地，步骤三中采用静力隐式算法模拟回弹过程。较佳地，所述大尺寸带台阶薄壁件为单曲率带台阶薄壁件。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，能够精确控制大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程，能够控制甚至消除加工过程中的回弹，避免了目前通常采用的后期校形或者多次滚弯等手段所导致的材料性能降低的缺陷。附图说明图1是本专利技术一较佳实施例的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法的流程图；图2是本专利技术一较佳实施例的有限元仿真方法中板料的滚弯模型的初始状态的示意图；图3是在有限元仿真中可能出现的沙漏问题的示意图；图4是本专利技术一较佳实施例的有限元仿真方法中，板料铣削、切边后的零件示意图；图5是本专利技术一较佳实施例的有限元仿真方法中，铣削后回弹的五点约束的示意图；具体实施方式下面结合说明书附图，进一步对本专利技术的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本专利技术的限制，任何的其他类似情形也都落入本专利技术的保护范围之中。在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，参考附图中描述的方向使用。本专利技术的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。参考图1所示，本专利技术一较佳实施例的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，包括以下步骤：步骤一、建立板料的滚弯模型，所述板料为弹塑性体，并采用线性减缩积分壳单元进行网格划分，所述滚弯模型用于模拟板料的滚弯过程，所述滚弯过程包括板料的弯曲、滚弯和回弹；步骤二、基于所述滚弯模型模拟所述滚弯过程后的结果，通过子模型技术模拟切边过程，其中切边过程去除板料的边缘平直部分而保留中间的均匀变形区域，然后根据所述大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟所述大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；步骤三、基于步骤二模拟铣削过程得到的工件，进行回弹过程的模拟，回弹过程的模拟包括关闭真空吸附系统，使铣削得到的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯‑铣削过程的有限元仿真方法，其特征在于，所述有限元仿真方法包括以下步骤：步骤一、建立板料的滚弯模型，所述板料为弹塑性体，并采用线性减缩积分壳单元进行网格划分，所述滚弯模型用于模拟板料的滚弯过程，所述滚弯过程包括板料的弯曲、滚弯和回弹；步骤二、基于所述滚弯模型模拟所述滚弯过程后的结果，通过子模型技术模拟切边过程，其中切边过程去除板料的边缘平直部分而保留中间的均匀变形区域，然后根据所述大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟所述大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；步骤三、基于步骤二模拟铣削过程得到的工件，进行回弹过程的模拟，回弹过程的模拟包括关闭真空吸附系统，使铣削得到的工件在真空平台上处于无约束自由变形状态，在所述工件的底面选择板料的中心处呈十字形的五个点，约束所述五个点的位移和转动以进行板料铣削后的回弹计算，其中对所述五个点的约束条件为，中心点被完全固定，而其他四个点则被约束为最大限度减少对回弹变形的影响。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，其特征在于，所述有限元仿真方法包括以下步骤：步骤一、建立板料的滚弯模型，所述板料为弹塑性体，并采用线性减缩积分壳单元进行网格划分，所述滚弯模型用于模拟板料的滚弯过程，所述滚弯过程包括板料的弯曲、滚弯和回弹；步骤二、基于所述滚弯模型模拟所述滚弯过程后的结果，通过子模型技术模拟切边过程，其中切边过程去除板料的边缘平直部分而保留中间的均匀变形区域，然后根据所述大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟所述大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；步骤三、基于步骤二模拟铣削过程得到的工件，进行回弹过程的模拟，回弹过程的模拟包括关闭真空吸附系统，使铣削得到的工件在真空平台上处于无约束自由变形状态，在所述工件的底面选择板料的中心处呈十字形的五个点，约束所述五个点的位移和转动以进行板料铣削后的回弹计算，其中对所述五个点的约束条件为，中心点被完全固定，而其他四个点则被约束为最大限度减少对回弹变形的影响。2.如权利要求1所述的有限元仿真方法，其特征在于，对所述五个点中除中心点外的其他四个点的约束条件为：相对中心点以第一轴向分布的两点，其第二轴向的平移自由度以及绕第一轴向及绕第三轴向的旋转自由度受到约束；相对中心点以第二轴向分布的两点，其第一轴向的平移自由度以及绕第二轴向及绕第三轴向的旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中刚，陈洁，黄洁，李小强，张兴振，李东升，
申请(专利权)人：中国商用飞机有限责任公司，上海飞机制造有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31