一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法技术

本发明专利技术提供了一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法，包括在有限元软件中以构件目标型面作为初始模具型面，根据初始型面建立三维模型，再对对拥有初始型面的模具进行从构件热成形温度降温至室温的降温模拟，再以降温后的模具型面作为后续的成形回弹补偿迭代计算的初始值，本发明专利技术基于数学最优化基本思想，在构件成形回弹补偿的迭代过程之前确定一个离最优解更接近的初始值，然后再将初始值进行迭代，从而达到减少迭代次数的目的。相比于直接以构件目标型面作为迭代计算初始值的方式，本发明专利技术可减少约50％的迭代次数，大大的提高了求解效率，节约了模具设计人员的宝贵时间，尤其是对于大型构件，这一优势更加明显。

A Solid Die Design Method for Precise Hot Forming of Components

The invention provides a solid die design method for precise hot forming of components, which includes taking the target surface of components as the initial die surface in the finite element software, establishing a three-dimensional model according to the initial die surface, then simulating the cooling of the die with the initial die surface from the component hot forming temperature to the room temperature, and then using the cooling die surface as the subsequent forming cycle. Based on the basic idea of mathematical optimization, the invention determines an initial value closer to the optimal solution before the iteration process of springback compensation for component forming, and then iterates the initial value to reduce the number of iterations. Compared with the method of directly calculating the initial value by iterating the target profile of the component, the invention can reduce the iteration times by about 50%, greatly improve the solving efficiency and save the precious time of the die designer, especially for the large component, this advantage is more obvious.

【技术实现步骤摘要】
一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法
本专利技术涉及金属板料及复合材料热成形制造
，尤其涉及一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法。
技术介绍
参见图1及图2，金属构件及复合材料构件的热成形模具1包括模具型面10及用于支撑模具型面的模具支架，其中模具型面对构件2的成形质量起决定性作用，金属构件及复合材料构件的热成形过程均需要相应的成形模具通过模具型面给其赋予外形形状，成形模具的模具型面尺寸精度是构件形状尺寸精度的重要保障。现有的模具型面设计大多是直接将室温下的构件的目标型面作为成形模具的型面，而忽略了在构件热成形温度下成形模具型面的热膨胀变形对构件尺寸精度的影响。构件在热成形时的型面是靠在该热成形温度下热变形后的模具型面11保证的，随着构件尺寸的增大，模具型面在热成形温度下的型面相比于室温时发生的热变形也较大，尤其是对于飞机蒙皮、飞机机翼这种大型构件，其长度可达十几米，相应的模具在热压成形温度与常温之间的形变量是可观的，其对构件尺寸精度的影响不可忽略，因此，现有技术中需要一种考虑模具热变形的模具设计方法来解决这个问题。中国专利201810739174.8所公开的一种用于热成形的回弹补偿方法，其过程包括三步，分别为：步骤S100：建立有限元仿真模型，进行构件蠕变时效成形后，得到蠕变构件；步骤S200：令每次迭代补偿回弹后的构件外型面为Pi(i＝0，1，2，3......，0表示首次仿真得到的回弹型面)，删除当前仿真使用的模具型面Mi(i＝0，1，2，3......，0表示首次仿真时输入的模具型面，即构件的目标型面)，计算所述蠕变构件回弹后的回弹外型面Pi上各节点到目标型面Pgoal上各节点的垂直距离ΔZij，ΔZij表示第i次迭代后构件回弹型面上节点j到目标型面Pgoal的垂直距离，取各节点中所述垂直距离ΔZij的垂直距离最大值max(ΔZ)，判断是否所述垂直距离最大值max(ΔZ)≤工程误差，如果所述判断结果为是，则将所述构件回弹外型面Pi对应的当前模具型面Mi作为回弹补偿模具型面并进行步骤S300，如果所述判断结果为否则构建第i+1次仿真用的模具型面，并重复所述步骤S100～200，直至所述判断为是；步骤S300：根据所述回弹补偿模具型面建立构件蠕变时效成形模具，对所述构件蠕变时效成形模具进行模具降温有限元仿真，得到回弹热膨胀模具型面，所述模具降温有限元仿真中设置初始温度为所述构件蠕变时效成形步骤中构件的成型温度并输入所述构件在所述蠕变时效成形步骤中的降温曲线。但是，专利201810739174.8所公开的方法的不足在于：一个是步骤S100与步骤S200的重复迭代次数多，另一个是经过步骤S300后，后续的实体模具进行修模时的修模量会较大，增加工作量。具体地，对于上述第一个不足来说，如专利201810739174.8实施例中所述，对于整体尺寸为435.0mm长×293.7mm宽×17mm高的铝合金构件，其需要经过3次迭代才能得到符合误差要求的模具型面。由于迭代计算工作量大，比较耗时，且对于飞机蒙皮、飞机机翼这种长度尺寸至少在10米以上的大型构件，计算机每迭代计算一次至少需要等待一天时间，这就会耗费模具设计人员大量宝贵时间，考虑构件回弹的迭代计算，一般迭代次数在4～6次以上，严重影响工作效率。因此，现有技术中仍然需要一种适用于大型构件的实体修模量小、且可减少迭代计算量的构件精确热成形的模具设计方法，以减少模具设计人员的等待时间，提高工作效率。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法，以解决
技术介绍
中提出的问题。一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法，包括以下步骤：1)以构件目标型面S0为模具原始型面B0，二者凹凸匹配，并根据B0设计对应的三维模具模型，在有限元分析软件中对型面为B0的模具进行从高温冷却至室温的降温模拟，得到降温后的模具，并提取降温后的模具的型面B1，其中，所述高温温度值等于所述构件对应的热成形保温阶段的温度值；2)以所述降温后模具的型面B1作为初始型面，生成三维模具模型，在三维模具模型与构件原材料的基础上建立热成形仿真模型，在型面为B1的模具的基础上对构件原材料进行第一次热成形模拟，得到构件初始热成形型面S1，计算构件初始热成形型面S1各点与构件目标型面S0各点的初始成形误差u1，判断各点的初始成形误差u1是否均小于或等于工程误差允许的范围ε，若是，则以构件初始热成形型面S1所对应的模具型面B1作为最终计算机设计所要得到的模具目标型面，进入步骤5，若否，进入步骤3；3)在有限元软件中，根据Si与S0间的误差大小，对构件热成形型面Si所对应的模具型面Bi进行第i次回弹补偿计算，得到回弹补偿后的模具型面Bi+1作为第i+1次热成形的模具型面，进入步骤4，所述i＝(1，2，3……n)；4)根据模具型面Bi+1生成三维模具模型，在三维模具模型与构件原材料的基础上建立热成形仿真模型，在型面为Bi+1的模具的基础上对构件原材料进行热成形模拟，得到构件热成形型面Si+1，计算构件热成形型面Si+1各点与构件目标型面S0各点的成形误差ui+1，判断各点的成形误差ui+1是否均小于或等于工程误差允许的范围ε，若是，则以构件热成形型面Si+1所对应的模具型面Bi+1作为最终计算机设计所要得到的模具目标型面，进入步骤5，若否，则令i＝i+1，返回步骤3；5)用模具材料将所述模具目标型面制备成实体模具型面，对实体模具型面装设模具支架，形成实体模具，将构件材料放置于实体模具上进行热压成形，得到实体构件，根据实体构件的型面与构件目标型面S0之间的偏差，对实体模具进行至少一次实体修模，得到符合误差要求的实体模具。所述实体修模为采用打磨和/或堆焊的方式对实体模具的型面进行修补。所述步骤5的实体修模次数为1～2次；当实体修模次数为1次时，所述步骤5具体包括如下分步骤5-a～5-b：5-a)用模具材料将所述模具目标型面制备成实体模具型面，对实体模具型面装设模具支架形成实体模具T0，将构件材料放置于实体模具T0上进行热压成形，得到实体构件G0，进入步骤5-b；5-b)根据实体构件G0的型面与构件目标型面S0之间的偏差，对实体模具T0的型面进行第1次实体修模，得到实体模具T1，以T1为最终所要得到的实体模具；当实体修模次数为2次时，所述步骤5具体包括如下分步骤5-c～5-e；5-c)用模具材料将所述模具目标型面制备成实体模具型面，对实体模具型面装设模具支架形成实体模具T0，将构件材料放置于实体模具T0上进行热压成形，得到实体构件G0，进入步骤5-d；5-d)根据实体构件G0的型面与构件目标型面S0之间的偏差，对实体模具T0的型面进行第1次实体修模，得到实体模具T1，将构件材料放置于实体模具T1上进行热压成形，得到实体构件G1；5-e)根据实体构件G1的型面与构件目标型面S0之间的偏差，对实体模具T1的型面进行第2次实体修模，得到实体模具T2，以T2为最终所要得到的实体模具。所述三维模型的生成在CATIA、ProE或Solidworks等三维造型软件中完成。所述降温模拟、热成形模拟及回弹补偿计算在ABAQUS、ANSYS或MSC等有限元分析软件中完成。所述构件材质可为铝合金或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以构件目标型面S0为模具原始型面B0，二者凹凸匹配，并根据B0设计对应的三维模具模型，在有限元分析软件中对型面为B0的模具进行从高温冷却至室温的降温模拟，得到降温后的模具，并提取降温后的模具的型面B1，其中，所述高温温度值等于所述构件对应的热成形保温阶段的温度值；2)以所述降温后模具的型面B1作为初始型面，生成三维模具模型，在三维模具模型与构件原材料的基础上建立热成形仿真模型，在型面为B1的模具的基础上对构件原材料进行第一次热成形模拟，得到构件初始热成形型面S1，计算构件初始热成形型面S1各点与构件目标型面S0各点的初始成形误差u1，判断各点的初始成形误差u1是否均小于或等于工程误差允许的范围ε，若是，则以构件初始热成形型面S1所对应的模具型面B1作为最终计算机设计所要得到的模具目标型面，进入步骤5，若否，进入步骤3；3)在有限元软件中，根据Si与S0间的误差大小，对构件热成形型面Si所对应的模具型面Bi进行第i次回弹补偿得到模具型面Bi+1，作为第i+1次热成形的模具型面，进入步骤4，所述i＝(1，2，3……n)；4)根据模具型面Bi+1生成三维模具模型，在三维模具模型与构件原材料的基础上建立热成形仿真模型，在型面为Bi+1的模具的基础上对构件原材料进行热成形模拟，得到构件热成形型面Si+1，计算构件热成形型面Si+1各点与构件目标型面S0各点的成形误差ui+1，判断各点的成形误差ui+1是否均小于或等于工程误差允许的范围ε，若是，则以构件热成形型面Si+1所对应的模具型面Bi+1作为最终计算机设计所要得到的模具目标型面，进入步骤5，若否，则令i＝i+1，返回步骤3；5)用模具材料将所述计算机设计得到的模具目标型面制备成实体模具型面，对实体模具型面装设模具支架，形成实体模具，将构件材料放置于实体模具上进行热压成形，得到实体构件，根据实体构件的型面与构件目标型面S0之间的偏差，对实体模具进行至少一次实体修模，得到符合误差要求的实体模具。...

【技术特征摘要】
1.一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以构件目标型面S0为模具原始型面B0，二者凹凸匹配，并根据B0设计对应的三维模具模型，在有限元分析软件中对型面为B0的模具进行从高温冷却至室温的降温模拟，得到降温后的模具，并提取降温后的模具的型面B1，其中，所述高温温度值等于所述构件对应的热成形保温阶段的温度值；2)以所述降温后模具的型面B1作为初始型面，生成三维模具模型，在三维模具模型与构件原材料的基础上建立热成形仿真模型，在型面为B1的模具的基础上对构件原材料进行第一次热成形模拟，得到构件初始热成形型面S1，计算构件初始热成形型面S1各点与构件目标型面S0各点的初始成形误差u1，判断各点的初始成形误差u1是否均小于或等于工程误差允许的范围ε，若是，则以构件初始热成形型面S1所对应的模具型面B1作为最终计算机设计所要得到的模具目标型面，进入步骤5，若否，进入步骤3；3)在有限元软件中，根据Si与S0间的误差大小，对构件热成形型面Si所对应的模具型面Bi进行第i次回弹补偿得到模具型面Bi+1，作为第i+1次热成形的模具型面，进入步骤4，所述i＝(1，2，3……n)；4)根据模具型面Bi+1生成三维模具模型，在三维模具模型与构件原材料的基础上建立热成形仿真模型，在型面为Bi+1的模具的基础上对构件原材料进行热成形模拟，得到构件热成形型面Si+1，计算构件热成形型面Si+1各点与构件目标型面S0各点的成形误差ui+1，判断各点的成形误差ui+1是否均小于或等于工程误差允许的范围ε，若是，则以构件热成形型面Si+1所对应的模具型面Bi+1作为最终计算机设计所要得到的模具目标型面，进入步骤5，若否，则令i＝i+1，返回步骤3；5)用模具材料将所述计算机设计得到的模具目标型面制备成实体模具型面，对实体模具型面装设模具支架，形成实体模具，将构件材料放置于实体模具上进行热压成形，得到实体构件，根据实体构件的型面与构件目标型面S0之间的偏差，对实体模具进行至少一次实体修模，得到符合误差要求的实体模具。2.根据权利要求1所述的一种用于构件精确热成形的实体模具设计方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，贺佳阳，常腾飞，吴昕桐，刘桂铭，胡健，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43