锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法技术

本发明专利技术涉及一种锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，包括以下步骤：S1、确定锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定原则；S2、建立球坐标系。空间点到原点的距离为r，以原点到该点的连线与正z轴之间的夹角为仰角θ，建立球坐标系；S3、确定锥形薄壁高筋构件曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程；S4、确定包络模表面点坐标及其在空间包络成形过程中的轨迹点坐标；S5、确定包络模该点在包络成形过程中特征角判定准则；S6、确定包络模表面点最大干涉曲面判定准则。通过本发明专利技术方法，可快速得出任意锥形薄壁高筋构件的干涉极限，具有很强的通用性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法
本专利技术涉及锥形薄壁高筋构件成形领域，更具体地说，涉及一种锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法。
技术介绍
薄壁高筋构件重量轻、刚度高、强度高、承载能力强，是航天装备的关键承载部件。主要用于制造火箭舱室、油箱、飞机机身、机翼等结构件。然而，由于薄壁高筋零件尺寸大、形状复杂，制造难度大。目前主要的加工方法有铣削、精密铸造、焊接等。但这些工艺存在着材料利用率低、加工成本高、零部件性能差、使用寿命低等缺陷。传统的锻造工艺虽然可以生产出高效率、低成本的高性能零件，但由于锻压机吨位不足、填充材料困难，不能直接用于薄壁高筋零件的成形。空间包络成形方法是通过连续局部塑性变形实现构件整体成形的先进制造技术，特别适合成形薄壁构件。在空间包络成形过程中，利用包络模回转运动以及构件不均匀受力，可以成形锥形薄壁高筋构件。在空间包络成形过程中，包络模对锥形薄壁高筋构件产生干涉，严重削弱了构件的承载能力。如果干涉极限值大于临界值，构件在受到偏心载荷的作用下极易发生破坏，不能进行生产使用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，可快速得出任意锥形薄壁高筋构件的干涉极限。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，包括以下步骤：S1、确定锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定原则：当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，则该点存在干涉，判定该点所在干涉曲面，得到该点干涉量，对比所有点的干涉量即得到干涉极限；S2、建立球坐标系；将包络模顶点作为坐标原点o，以通过坐标原点的机床主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，以空间点到原点的距离为r，以原点到该点的连线与正z轴之间的夹角为仰角θ，建立球坐标系S3、确定锥形薄壁高筋构件曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程；S4、确定包络模表面点坐标及其在空间包络成形过程中的轨迹点坐标S5、确定包络模该点在包络成形过程中特征角判定准则；S6、确定包络模表面点最大干涉曲面判定准则。上述方案中，在所述步骤S3中，锥角为180°时薄壁高筋构件由平面组成，任取一参考平面得其平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对应的锥形薄壁高筋构件曲面方程为f(x，y，z)＝0，干涉曲面方程为f(x′，y′，z′)＝0；锥形薄壁高筋构件曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程计算如公式(1)所示：式中，β是锥形薄壁高筋构件锥角补角的二分之一。上述方案中，在所述步骤S4中，包络模表面点坐标计算方程如公式(2)所示，包络模表面点的轨迹点坐标计算方程如公式(3)所示：式中，是锥形薄壁高筋构件表面点A三维球坐标，γ是包络模锥角补角的二分之一。式中，ω是任意时刻旋转轴与正x轴夹角。上述方案中，在所述步骤S5中，确定包络模该点在包络成形过程中特征角判定准则的方法为：特征角包括干涉极值角与相交角；选取包络模表面任意一点N，得到干涉值随旋转轴的变化方程，由费马定理得到两个极值角ωj1和ωj2；通过干涉值进行干涉判定，去除筋外部的极值点，得到干涉极值角；包络模该点的包络成形轨迹与筋表面fi(x，y，z)＝0(i＝1，2，··，6)相交与特征角ωi1和ωi2；干涉极值角计算方程如公式(4)所示；包络模该点的包络成形轨迹与筋表面相交角计算方程如公式(5)所示：式中，(Ai，Bi，Ci，Di)是筋表面fi(x，y，z)＝0(i＝1，2，··，6)方程参数。上述方案中，在所述步骤S6中，确定包络模表面点最大干涉曲面判定准则方法为：选取包络模该点所在母线，当母线与构件接触时，该点所在构件曲面即为参考曲面，进而得到该点的干涉曲面方程；将得到的特征角代入公式(3)得到特征点，将特征点代入公式(1)得到干涉曲面方程，比较全部特征点的干涉曲面方程，得到该点最大干涉曲面及最大干涉值；求出包络模表面所有点的最大干涉值，比较得到锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限，若小于临界值，锥形薄壁高筋构件可以使用，否则不能生产使用。实施本专利技术的锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，具有以下有益效果：1、本专利技术提出的锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，可快速得出任意锥形薄壁高筋构件的干涉极限，具有很强的通用性和实用性。2、通过本专利技术方法实现由包络模到锥形薄壁高筋构件的精确计算，干涉极限值精度很高。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是包络模坐标系的建立示意图；图2是包络模干涉情况示意图；图3是锥形薄壁高筋构件参考曲面和干涉曲面示意图；图4是包络模包络成形过程中表面点运动方式示意图；图5是包络模包络成形过程中表面点特征角示意图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1-5所示，在本专利技术的锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，包括以下步骤：S1、确定锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定原则。在建立的空间直角坐标系下，当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，此时该点存在干涉，判定该点所在干涉曲面，得到该点干涉量，对比所有点的干涉量可以得到干涉极限。S2、建立球坐标系。将包络模顶点作为坐标原点o，以通过坐标原点的机床主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，x轴平分其中一条筋，建立直角坐标系，如图1所示。以空间点到原点的距离为r，以原点到该点的连线与正z轴之间的夹角为仰角θ，建立球坐标系其中，锥角为180°时薄壁高筋构件长度140mm、宽度140mm、腹板厚2mm，横纵各有四条筋，筋厚3mm、筋高20mm。S3、确定锥形薄壁高筋构件曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程。锥角为180°时薄壁高筋构件表面由平面组成，取参考平面方程为y-24.33＝0，对应的锥形薄壁高筋构件参考曲面方程为f(x，y，z)＝0，干涉曲面方程为f(x′，y′，z′)＝0，如图3所示。S4、确定包络模表面点坐标及其在空间包络成形过程中的轨迹点坐标S5、确定包络模该点在包络成形过程中特征角判定准则。S6、确定包络模表面点最大干涉曲面判定准则。进一步的，上述步骤S3中，锥形薄壁高筋构件锥角为175°，锥形薄壁高筋构件参考曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程计算方程如公式(1)所示。进一步的，上述步骤S4中，上述步骤1中，包络模锥角为170°，取锥形薄壁高筋构件表面一点A，球坐标为(29.5437，)，包络模表面点球坐标(29.5437，)，由旋转矩阵得到包络轨迹，如图4所示。包络模表面点的轨迹点坐标计算方程如公式(2)所示。...

【技术保护点】
1.一种锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、确定锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定原则：当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，则该点存在干涉，判定该点所在干涉曲面，得到该点干涉量，对比所有点的干涉量即得到干涉极限；/nS2、建立球坐标系；将包络模顶点作为坐标原点o，以通过坐标原点的机床主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，以空间点到原点的距离为r，以原点到该点的连线与正z轴之间的夹角为仰角θ，建立球坐标系

【技术特征摘要】
1.一种锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定原则：当包络模表面一点运动过程中位于锥形薄壁高筋构件实体内部，则该点存在干涉，判定该点所在干涉曲面，得到该点干涉量，对比所有点的干涉量即得到干涉极限；
S2、建立球坐标系；将包络模顶点作为坐标原点o，以通过坐标原点的机床主轴中心线为z轴，以包络模进给方向为z轴负向，以空间点到原点的距离为r，以原点到该点的连线与正z轴之间的夹角为仰角θ，建立球坐标系
S3、确定锥形薄壁高筋构件曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程；
S4、确定包络模表面点坐标及其在空间包络成形过程中的轨迹点坐标
S5、确定包络模该点在包络成形过程中特征角判定准则；
S6、确定包络模表面点最大干涉曲面判定准则。


2.根据权利要求1所述的锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，其特征在于，在所述步骤S3中，锥角为108°时薄壁高筋构件由平面组成，任取一参考平面得其平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对应的锥形薄壁高筋构件曲面方程为f(x，y，z)＝0，干涉曲面方程为f(x′，y′，z′)＝0；锥形薄壁高筋构件曲面方程以及对应干涉值为d时曲面方程计算如公式(1)所示：



式中，β是锥形薄壁高筋构件锥角补角的二分之一。


3.根据权利要求2所述的锥形薄壁高筋构件空间包络成形干涉极限判定方法，其特征在于，在所述步骤S4中，包络模表面点坐标计算方程如公式(2)所示，包络模表面点的轨迹点坐标计算方程如公式(3)所示：

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【专利技术属性】
技术研发人员：冯玮，何豪杰，韩星会，华林，庄武豪，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42