一种双曲面成型装备的加工工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种双曲面成型装备的加工工艺，包括：建立冷加工成形的力学模型并研究特殊板材力学性能，推导得到材料加工成形的回弹半径：拟合双曲率板材的曲面并对其进行数学表征：有限元数值模拟仿真确定双曲率成型压模形状的回弹量：加工制造曲板压模外板：对外板部分曲率加工不够的部分进行火工收边：在专用模具安装存放架上，按照基面拼板的编号及分区装配并点焊固定；运用光学面扫描测量技术对每次弯曲后的双曲面形状进行重构：制作样板箱进行实时测量控制板材成形的形状精度，本发明专利技术更准确把握回弹补偿量，保证产品的质量，更好的保障曲面的精度，显著提高弯曲成型的效率，减少人工工作量，大大缩短工时和节约成本，提高产品的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种双曲面成型装备的加工工艺
本专利技术涉及船舶制造行业，特别涉及一种船体连接过渡所使用的冷压双曲面板成型装备的加工工艺。
技术介绍
在环保、法律、法规方面，海上环境保护是平台拆解的出发点，通过对老旧、闲置平台的拆解，对保障作业区域的海洋环境、航业和渔业生产等具有重要意义。半潜式起重拆解平台的结构复杂，区别于常规半潜式平台，为非对称结构，具有不同的下浮体和立柱，中间无横撑，仅由上船体连接，从而造成建造难度大，精度要求高。为避免结构应力集中，半潜式起重拆解平台立柱与上船体、立柱与下浮体的连接采用双曲面大弧板结构进行过渡。双曲面板成型方法常有水火弯板法，批量较大时，则可在压力机上安装专用压模压制成型。目前，双曲面设计成型装备的设计方法主要是制作上下木模，然后制作砂型浇注出铸钢模具并加工，最后用大型油压机，将钢板夹在上下铸模之间，利用上下铸模的挤压使曲板成型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双曲面成型装备的加工工艺。本专利技术采用的技术方案是：一种双曲面成型装备的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立冷加工成形的力学模型并研究特殊板材力学性能：结合板材材料的屈服准则和弹塑性有限元法的本构方程，求解冷加工成形的力学方程，推导得到材料加工成形的回弹半径；步骤2：拟合双曲率板材的曲面并对其进行数学表征；步骤3：有限元数值模拟仿真确定双曲率成型压模形状的回弹量；步骤4：加工制造曲板压模外板，根据拟合的双曲面曲率的变化每隔500mm间距制作一套与外板弧度一致的上模，根据不同的曲率制作不同的上模，并根据外板曲率的变化，制作与外板宽度方向和长度方向曲率都相同的马鞍形下胎模，加工下模；步骤5：对外板部分曲率加工不够的部分进行火工收边；步骤6：在专用模具安装存放架上，按照基面拼板的编号及分区装配并点焊固定，放上外围板，将上下模按照工作状态放好，保证线型吻和并且没有错位和凹凸不平后，开始焊接固定模具；步骤7：多采用逐次压制成形双曲面板；步骤8：运用光学面扫描测量技术对每次弯曲后的双曲面形状进行重构；步骤9：制作样板箱进行实时测量控制板材成形的形状精度，实现对工艺过程质量的控制。所述步骤1的具体方法为：a.引入Mises屈服准则，通过方程描述从弹性的变形状态向塑性变形状态过渡的力学条件，确定一个定值σ，当材料中单位体积的弹性变形能达到该定值时，材料就会达到屈服；b.通过弹塑性有限元法的本构方程描述材料在加工过程中弹性阶段与弹塑性阶段应力应变的关系；c.基于板材发生冷弯变形过程中及回弹过程保持平面、其横截面收到的剪应力大小忽略不计、板材中性层为梁结构且弯曲过程中各面处于重合的平面假设理论，推导冷加工成形的力学方程，对板材发生弯曲变形的微单元进行分析与描述，从而确定了材料压制过程中的回弹半径。所述步骤2的具体方法为：a.利用函数f(x)在帆形板和鞍形板中已知的若干点的函数值，作出适当的特定函数，在帆形板和鞍形板的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值，得到帆形板和鞍形板的方差与均方差根；b.使用高斯曲率进行数学表征，使得板的曲率可以用一个参数Q（高斯曲率）直观地表征出来，可以很方便地找到不同形状曲面板之间的规律。所述步骤3的具体方法为：a.在ANSYS/LS-DYNA中对压模和板根据实际情况进行性能参数的设置，将上下压模设置为不发生变形的刚体并进行参数设置，建立双曲率压模的数值模型；b.根据真实情况对压制成形的过程进行模拟，对上压模设置合理的时间-位移下压函数。约束上压模X.Y方向的位移和X.Y.Z方向的转角，对下压模施加一个全约束，而中间的板只在四周各添加一个位移约束做固定作用，设置好压模与板之间的摩擦系数，然后对模型在LS/DYNA进行模拟计算，得到板在压制成形中的受力情况；c.利用LS/PrePost后处理软件进行数据提取分析，将各个点的坐标提取出在软件中拟合成一条曲线，对各个点的坐标以及曲线的曲率与需要成型的形状进行比较，得到压制成形产生的误差；d.根据所需成形的曲率改变上下压模的曲率，根据拟合的曲线图可得到与压制成形后的板和所需成形的曲率最接近的最大挠度，并对附近的几组数据进行详细的比较。所述步骤4的具体方法为：a.钢板下好后，首先对需要加工的外板进行划线：包括中线、检验线、加工线、余量线；b.先用平模，沿钢板长度方向压成一个方向的曲率，需增加15mm的反弹余量；c.使用制作好的马鞍形下胎模，配合不同弧度的上模用分步压法，多次碾压，使钢板长度方向成形，宽度方向弧度不变；d.冷加工成形后要求钢板与样箱的贴合度在15mm以内。所述步骤5的具体方法为：a.冷加工成形过程中不允许用火工，待现场安装时对个别成形不到位的区域进行火工调整，但是火工温度需控制在650摄氏度以下，并测温枪实时监控，并进行记录；b.安装IACS要求进行火工矫正；c.热加工结束后，与样箱的贴合度在5mm以内。所述步骤7的具体方法为：a.选择一套上下模单元，将上模的平面部分与1000T油压机水平接触，等待油压机的施压；下模的平面部分放置在水平的工作平台上，上下模对齐直到上下模的曲面部分能够重合后，升高上模留出双曲面板放置的空间；b．将需要压制的曲面板放置在一组上、下模单元之间，启动1000T油压机对上模进行施压，在低于结晶温度下使需要压制的双面板产生塑性变形；c.上、下模单元是根据加工曲率的变化每隔500mm间距一套；压制500mm双曲面板完成后更换下一套上下模单元，重复a、b步骤继续对双曲面板的压制。所述步骤8的具体方法为：a.将弯曲之后的板表面进行清理，制备散斑点。根据DIC拍摄的距离要求，调节平台的高度或者相机的高度使得DIC拍摄的图像最清晰；b.使用三维光学面扫描测量系统，先进行校准找到相关参数，然后进行测量以及数据采集，获得散斑点测量数据；c.将试验得到的数据工程用DIC软件打开，先创建散斑域，尽可能覆盖整个双曲面板，然后在散斑域上选取一个种子点，并观察确认种子点在左右相机中的图像是同一个位置，种子点选好之后，以种子点为起始点进行上下左右四个方向的散斑点匹配，从而完成散斑域内所有散斑点的匹配，最后执行运算，提取所需要的点的坐标；d.将采集点的坐标在MATLAB软件里面进行后处理，可以的得到点云坐标分布以及重构的双曲面曲面，确保最终双曲面板能达到所需要的形状要求。所述步骤9的具体方法为：a.根据成形板材的真实形状进行1:1生产制造三角样板，通过三角样板进行实时检测和调整冷弯成形工艺，逐次逼近的方式实现曲率板的冷弯成形；b.每次弯曲成形之后，通过三角样板的比对，获得实时的弯曲变形数值，并给出后续的弯曲工艺，直到弯曲精度满足目标曲率板的形状要求。所述成型模具包括弧形契合的上模与下模。本专利技术的优点：本专利技术通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双曲面成型装备的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：建立冷加工成形的力学模型并研究特殊板材力学性能：结合板材材料的屈服准则和弹塑性有限元法的本构方程，求解冷加工成形的力学方程，推导得到材料加工成形的回弹半径；/n步骤2：拟合双曲率板材的曲面并对其进行数学表征；/n步骤3：有限元数值模拟仿真确定双曲率成型压模形状的回弹量；步骤4：加工制造曲板压模外板，根据拟合的双曲面曲率的变化每隔500mm间距制作一套与外板弧度一致的上模，根据不同的曲率制作不同的上模，并根据外板曲率的变化，制作与外板宽度方向和长度方向曲率都相同的马鞍形下胎模，加工下模；/n步骤5：对外板部分曲率加工不够的部分进行火工收边；/n步骤6：在专用模具安装存放架上，按照基面拼板的编号及分区装配并点焊固定，放上外围板，将上下模按照工作状态放好，保证线型吻和并且没有错位和凹凸不平后，开始焊接固定模具；/n步骤7：多采用逐次压制成形双曲面板；/n步骤8：运用光学面扫描测量技术对每次弯曲后的双曲面形状进行重构；/n步骤9：制作样板箱进行实时测量控制板材成形的形状精度，实现对工艺过程质量的控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种双曲面成型装备的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立冷加工成形的力学模型并研究特殊板材力学性能：结合板材材料的屈服准则和弹塑性有限元法的本构方程，求解冷加工成形的力学方程，推导得到材料加工成形的回弹半径；
步骤2：拟合双曲率板材的曲面并对其进行数学表征；
步骤3：有限元数值模拟仿真确定双曲率成型压模形状的回弹量；步骤4：加工制造曲板压模外板，根据拟合的双曲面曲率的变化每隔500mm间距制作一套与外板弧度一致的上模，根据不同的曲率制作不同的上模，并根据外板曲率的变化，制作与外板宽度方向和长度方向曲率都相同的马鞍形下胎模，加工下模；
步骤5：对外板部分曲率加工不够的部分进行火工收边；
步骤6：在专用模具安装存放架上，按照基面拼板的编号及分区装配并点焊固定，放上外围板，将上下模按照工作状态放好，保证线型吻和并且没有错位和凹凸不平后，开始焊接固定模具；
步骤7：多采用逐次压制成形双曲面板；
步骤8：运用光学面扫描测量技术对每次弯曲后的双曲面形状进行重构；
步骤9：制作样板箱进行实时测量控制板材成形的形状精度，实现对工艺过程质量的控制。


2.根据权利要求1所述的一种双曲面成型装备的加工工艺，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
a.引入Mises屈服准则，通过方程描述从弹性的变形状态向塑性变形状态过渡的力学条件，确定一个定值σ，当材料中单位体积的弹性变形能达到该定值时，材料就会达到屈服；
b.通过弹塑性有限元法的本构方程描述材料在加工过程中弹性阶段与弹塑性阶段应力应变的关系；
c.基于板材发生冷弯变形过程中及回弹过程保持平面、其横截面收到的剪应力大小忽略不计、板材中性层为梁结构且弯曲过程中各面处于重合的平面假设理论，推导冷加工成形的力学方程，对板材发生弯曲变形的微单元进行分析与描述，从而确定了材料压制过程中的回弹半径。


3.根据权利要求1所述的一种双曲面成型装备的加工工艺，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
a.利用函数f(x)在帆形板和鞍形板中已知的若干点的函数值，作出适当的特定函数，在帆形板和鞍形板的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值，得到帆形板和鞍形板的方差与均方差根；
b.使用高斯曲率进行数学表征，使得板的曲率可以用一个参数Q（高斯曲率）直观地表征出来，可以很方便地找到不同形状曲面板之间的规律。


4.根据权利要求1所述的一种双曲面成型装备的加工工艺，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
a.在ANSYS/LS-DYNA中对压模和板根据实际情况进行性能参数的设置，将上下压模设置为不发生变形的刚体并进行参数设置，建立双曲率压模的数值模型；
b.根据真实情况对压制成形的过程进行模拟，对上压模设置合理的时间-位移下压函数,约束上压模X.Y方向的位移和X.Y.Z方向的转角，对下压模施加一个全约束，而中间的板只在四周各添加一个位移约束做固定作用，设置好压模与板之间的摩擦系数，然后对模型在LS/DYNA进行模拟计算，得到板在压制成形中的受力情况；
c.利用LS/PrePost后处理软件进行数据提取分析，将各个点的坐标提取出在软件中拟合成一条曲线，对各个点的坐标以及曲线的曲率与需要成型的形状进行比较，得到压制成形产生的误差；
d.根据所需成形的曲率改变上...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文科，易志金，刘建成，朱永梅，郑和辉，莫刚，陈伶翔，吴海建，唐文献，
申请(专利权)人：招商局重工江苏有限公司，江苏科技大学，招商局重工深圳有限公司，招商局海洋装备研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32