一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。本发明专利技术创造性地实现了基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟，大大提高了带筋壁板预应力喷丸成形效果。成形效果。成形效果。

【技术实现步骤摘要】
一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及喷丸成形
，特别是涉及一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]喷丸成形是金属机翼壁板的主要成形工艺之一，该技术最早由洛克希德
·
马丁公司的工程师杰姆
·
博格于20世纪40年代提出，此后多用于航空航天飞行器壁板类工件的制造。目前，自由状态喷丸成形技术已经在我国ARJ21、C919等飞机壁板类工件的制造中成功获得应用。
[0003]现阶段喷丸成形工艺参数的确定主要依靠试验和经验，试验量大、周期长、效率低、成本高；因此喷丸成形数值模拟应运而生，喷丸成形数值模拟主要有温度场法和应力场法等。温度场法依据等效变形原则通过试验建立温度场与喷丸工艺参数之间的对应关系，若零件截面形状和受力状态改变，需要重新试验、建立新的对应关系。应力场法通过模拟多弹丸撞击过程获得应力场，避免了为建立应力场与喷丸工艺参数间关系的试验；同时应力场法由于引入了真实的喷丸应力比温度场更接近实际喷丸状态。在应力场法中，建立起准确的喷丸模拟参数即喷丸指标弹坑直径、弹丸速度及覆盖率与试验工艺参数间的关系模型至关重要，并直接影响到后续模拟的准确性和精确度。
[0004]目前关于喷丸指标与喷丸试验工艺参数之间关系的研究主要针对直径在1mm以下的喷丸强化小弹丸，不适用喷丸成形中的大尺寸弹丸。预应力喷丸成形数值模拟的研究对象主要集中在平板件，针对带筋整体壁板预应力喷丸成形数值模拟的研究还未见报道。同时，目前应力场法模拟思路及方法无法将模拟参数与工艺参数建立关联，导致该方法只能进行定性模拟，还无法对带筋整体壁板预应力喷丸成形进行定量模拟，造成在现阶段具有复杂带筋整体壁板的型号研制中较难应用。

技术实现思路

[0005](1)要解决的技术问题
[0006]本专利技术实施例提供了一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，包括建立喷丸工艺参数与喷丸模拟参数的关联模型、多弹丸撞击模型和反弯曲应力场法模拟模型，可以准确实现带筋壁板的预应力喷丸成形数值模拟。
[0007](2)技术方案
[0008]本专利技术的实施例提出了一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，所述带筋壁板包括筋件和壁板，所述数值模拟方法包括如下步骤：
[0009]步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；
[0010]步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；
[0011]步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将
壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。
[0012]进一步地，所述关联模型的建立过程包括：选取不少于一个喷丸工艺参数，通过均匀试验方法，建立喷丸工艺参数与喷丸模拟参数间的二阶响应面模型。
[0013]进一步地，所述喷丸工艺参数包括：喷丸气压、进给速度和弹丸流量。
[0014]进一步地，所述喷丸应力场的模拟参数包括：弹坑直径、弹丸速度及覆盖率。
[0015]进一步地，所述多弹丸撞击模型的建立方法包括：
[0016]通过自定义场分布函数施加线性分布的面力以代表预应力，施加预应力后约束模型两个侧面及底面的所有自由度；
[0017]弹丸与模型间的接触算法为罚函数法，接触摩擦系数取为0.05，通过预定义场更改多弹丸撞击的弹丸速度模拟参数；所建模型对应的覆盖率范围为0％-80％，利用响应面模型计算出覆盖率的模拟参数，然后对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划。
[0018]进一步地，所述步骤二还包括：对所有路径上同一厚度处的路径节点应力求平均值，即为相应工艺参数下该厚度处的诱导应力值；沿模型厚度方向，各个厚度处及其诱导应力值构成相应工艺参数下的诱导应力场。
[0019]进一步地，选用大型有限元软件Abaqus进行多弹丸撞击的有限元模拟。
[0020]进一步地，所述反弯曲应力场法模拟模型的建立过程包括：
[0021](1)首先对带筋壁板的筋件进行弹性预弯，计算出出截面内的预弯应力，固定约束除喷丸面以外的所有表面；
[0022](2)进行单面喷丸，此时带筋壁板的筋件截面内的应力分布即为预弯状态下的喷丸诱导应力；
[0023](3)通过多弹丸撞击模型，获得与带筋壁板的筋件喷丸区域具有相同工艺参数的模拟诱导应力以代表筋件实际诱导应力，获取喷丸塑性层平均厚度，并采用两种不同弹性模量材料组合梁的中性层位置计算公式计算偏移后的中性层位置：
[0024][0025]式中：y
n
为中性层位置；E1和E2分别为两种异质材料的弹性模量，分别对应拉伸曲线弹性段和塑形段的斜率；A1和A2分别为各材料截面积；
[0026]和分别为两种材料截面形心位置；
[0027](4)以上述预应力状态下喷丸成形之后的筋件的应力状态为初始应力状态，即内部应力全部为0，以偏移后的中性层为弯曲轴，对该筋件反向弯曲至平直状态，计算出考虑中性层移动的截面应力变化值；
[0028](5)将上述诱导应力赋予带筋壁板的筋壁单元，实现带筋壁板预应力喷丸成形反弯曲应力场法数值模拟。
[0029]进一步地，反弯曲过程以后，截面上的应力由多弹丸撞击产生的诱导应力、反弯曲应力及中性层不一致产生的额外应力三部分代数和组成。
[0030](3)有益效果
[0031]本专利技术建立了一种能够更改覆盖率、弹丸速度、预应力、厚度、受喷材料种类等的多弹丸撞击模型，并可以运用软件后处理过程进行二次开发，编程提取多弹丸撞击模型沿厚度方向的诱导应力、残余应力、等效应变等值；并通过均匀试验方法，对带筋壁板进行喷
丸试验，建立弹坑直径、弹丸速度、覆盖率与喷丸气压、弹丸流量、进给速度间的响应面模型，创造性地实现了基于喷丸诱导应力的喷丸成形应力场法数值模拟，大大提高了带筋壁板预应力喷丸成形效果。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1是一种典型结构的带筋壁板的结构示意图。
[0034]图2是一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法的流程图。
[0035]图3是本专利技术一实施例中利用ABAQUS软件建立多弹丸撞击模型的模型图。
[0036]图4是本专利技术一实施例中多弹丸撞击模型中对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划图。
[0037]图5是本专利技术一实施例中多弹丸撞击模型中对模型厚度方向提取诱导应力的示意图。
[0038]图6-1～图6-4是本专利技术一实施例中反弯曲应力场法模拟模型的建立过程示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，所述带筋壁板包括筋件和壁板，其特征在于，所述数值模拟方法包括如下步骤：步骤一：建立带筋壁板的输入喷丸工艺参数输出对应喷丸模拟参数的关联模型；步骤二：建立带筋壁板的多弹丸撞击模型，使模型表面受到多弹丸的冲击，并创建喷丸区域沿模型厚度方向的路径并获得路径节点应力；步骤三：建立带筋壁板的反弯曲应力场法模拟模型，依据壁板几何及受力特征将壁板转换为有限元壳单元，并进行分区处理，将应力场赋予壳单元进行模拟变形计算。2.根据权利要求1所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述关联模型的建立过程包括：选取不少于一个喷丸工艺参数，通过均匀试验方法，建立喷丸工艺参数与喷丸模拟参数间的二阶响应面模型。3.根据权利要求2所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述喷丸工艺参数包括：喷丸气压、进给速度和弹丸流量。4.根据权利要求2或3所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述喷丸应力场的模拟参数包括：弹坑直径、弹丸速度及覆盖率。5.根据权利要求1所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述多弹丸撞击模型的建立方法包括：通过自定义场分布函数施加线性分布的面力以代表预应力，施加预应力后约束模型两个侧面及底面的所有自由度；弹丸与模型间的接触算法为罚函数法，接触摩擦系数取为0.05，通过预定义场更改多弹丸撞击的弹丸速度模拟参数；所建模型对应的覆盖率范围为0％-80％，利用响应面模型计算出覆盖率的模拟参数，然后对弹丸撞击位置及撞击弹丸数量进行规划。6.根据权利要求5所述的一种带筋壁板预应力喷丸成形的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤二还包括：对所有路径上同一...

【专利技术属性】
技术研发人员：田硕，尚建勤，曾元松，陈福龙，盖鹏涛，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：