计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法技术

本发明专利技术提供了一种计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法，包括以构件目标型面作为初始型面，根据初始型面建立三维模型，再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，得到降温模具型面，再以降温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。

Design Method of Die Surface for Computer Aided Precise Hot Forming of Large Components

The present invention provides a computer aided die surface design method for precise hot forming of large components, including taking the target surface of the component as the initial surface, establishing a three-dimensional model according to the initial surface, and then simulating the cooling of the die with the initial surface from the component hot forming temperature to the room temperature to obtain the cooling die surface, and then taking the cooling die surface as the subsequent forming process. Based on the basic idea of mathematical optimization, the invention determines an initial value closer to the optimal solution before the iteration process of component forming springback compensation, 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】
计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法
本专利技术涉及金属板料及复合材料热成形制造
，尤其涉及一种计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法。
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过程均需要相应的成形模具型面给其赋予外形形状，成形模具型面的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通过计算机辅助设计完成，目前的设计方法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型面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甚至更长时间，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实体修模量小、且可减少迭代计算量的大型构件精确热成形的模具型面设计方法，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计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法，以解决
技术介绍
中提出的问题。一种计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法，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作为最终所要得到的模具目标型面，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作为最终所要得到的模具目标型面，若否，则令i＝i+1，返回步骤3。所述三维模型的生成在CATIA、ProE或Solidworks等三维造型软件中完成。所述降温模拟与热成形模拟在ABAQUS、ANSYS或MSC等有限元分析软件中完成。所述构件材质可为合金或纤维树脂复合材料，所述热成形相应的可为合金在热压罐中的蠕变时效成形或纤维树脂复合材料在热压罐中的热压固化成形。所述模具的材质可为碳钢或其他金属结构材料或非金属结构材料。本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术的计算机辅助大型构件精确热成形的模具设计方法，以模具降温型面B1作为迭代计算的初始值，模具降温型面B1比模具原始型面B0(即构件目标型面S0的凹凸匹配面)更接近模具目标型面，相比于直接以构件目标型面S0作为迭代计算初始值的方式，本专利技术可减少约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。本专利技术基于数学最优化基本思想，要想减少迭代次数，最好的方法之一就是能提供一个离最优解较近的迭代初始值，合理的迭代初始值对于迭代的效率是非常有效的。本专利技术的方法中，有限元降温求解到模具型面B1的过程就是提供合理迭代初始值的过程，后续的成形回弹迭代补偿过程就是求优过程。本专利技术先在构件成形和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。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是构件在模具中的热成形过程示意图；图1包括图1a与图1b，其中图1a为构件热成形前的状态示意图，图1b为构件热成形过程中的状态示意图；图2是模具的热变形示意图；图2包括图2a与图2b，其中图2a为热变形前的模具，图2b为热变形后的模具；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法，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作为最终所要得到的模具目标型面，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作为最终所要得到的模具目标型面，若否，则令i＝i+1，返回步骤3。...

【技术特征摘要】
1.一种计算机辅助大型构件精确热成形的模具型面设计方法，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作为最终所要得到的模具目标型面，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...

【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