基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，属于机械加工制造领域，该方法包括以下步骤：获取大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件，建立刀具坐标系与工件坐标系间的转换矩阵；在有限元软件中基于python脚本语言编写程序，为大型曲面薄壁件动态施加方向不断变化的切削力载荷，模拟镜像铣削加工过程中辅助支撑跟随刀具实时移动的实际支撑状态和实际装夹状态；最后将建立的有限元模型提交求解得到大型曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形预测模型。该方法可以提高大型薄壁曲面件镜像铣削加工变形的预测精度、降低仿真计算时间和经济成本，对研究大型曲面薄壁件的加工变形控制策略具有重要指导作用。指导作用。指导作用。

【技术实现步骤摘要】
基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法


[0001]本专利技术涉及机械加工制造方法，尤其涉及一种基于有限元分析的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形预测方法。

技术介绍

[0002]在航空航天产品上使用了众多的大型曲面薄壁构件，例如重型运载火箭的贮箱箱底由一系列的瓜瓣状曲面件拼焊形成、箭体由一系列的大型弧状薄壁壁板焊接形成。但是大型曲面薄壁件的高精度加工是一大难题，由于大型薄壁件的尺寸超大、壁厚超薄、形状十分复杂，生产制造过程中虽然采用镜像铣削的加工工艺，但是在自重、切削力、切削振动的耦合作用下仍极易发生变形，严重影响大型曲面薄壁件加工的形状精度和力学承载性能。因此建立大型曲面薄壁构件加工过程中的变形预测模型对提高其加工制造质量和精度具有重要的理论意义和实用价值。
[0003]目前，已经提出了许多通过有限元数值仿真来建立大型曲面薄壁构件加工变形预测模型的分析方法，但现有的技术方案尚不能满足大型薄壁曲面构件镜像铣削加工变形预测的要求。中国专利CN201510234973.6公开了一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法，该专利技术采用多个连续静力隐式分析步模拟三维动态切削加工显式计算的方法，缩短了仿真计算时间且可以实现加工变形的有限元快速预测。但该专利技术中切削力的加载过程繁琐且复杂，需要依靠大量实验建立切削力的经验公式；且应用对象为形状规则的薄壁结构件，对切削力方向时刻变化的复杂曲面薄壁件的适应性较差。于金等人在《ABAQUS二次开发及在曲面薄壁件加工变形模拟中的应用》中提出了一种大型曲面薄壁件加工变形的有限元快速仿真预测方法，通过对真空吸盘吸附区域节点施加完全约束来模拟工件的实际装夹状态，并利用生死单元技术和切削力的循环加载获得了工件的加工变形云图。但是镜像铣削过程中辅助支撑跟随刀具实时移动，始终与刀具轴线保持一致，并不是真空吸盘施加的固定不动的约束，因此该方法并不适用于镜像铣削加工变形预测。
[0004]尽管薄壁件加工变形预测的研究方法较多，但由于曲面薄壁构件的加工变形规律复杂，目前针对大型曲面薄壁件镜像铣削加工中的变形预测模型还未见报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种镜像铣削过程中大型曲面薄壁件的加工变形预测方法，可以实现对复杂曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的预测，使仿真结果更加准确，为研究控制加工变形策略和提高制造精度提供重要参考和依据。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0007]本专利技术的基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、创建大型曲面薄壁构件的三维模型并导入UG软件，在UG软件中采用可变轮廓铣方法生成大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件；
[0009]步骤二、根据刀位文件中刀具的位置信息，建立工件坐标系{W}和刀具坐标系{D}之间的转换矩阵T；
[0010]步骤三、在ABAQUS有限元软件中创建大型曲面薄壁构件的有限元仿真模型，赋予大型曲面薄壁构件材料属性并进行网格划分，在划分网格时对铣削区域部分进行网格细化，以保证仿真结果的精度；
[0011]步骤四、根据刀位文件中的刀具轨迹信息，选择刀具路径上需要切除材料的网格单元和节点，基于Python脚本语言编写程序，批量创建需要切除材料部位的节点集合和网格单元集合；
[0012]步骤五、在ABAQUS有限元软件中创建静力隐式分析步，并通过设置该静力隐式分析步的场变量输出和历程变量输出以在后处理模块查看曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形云图；
[0013]步骤六、为大型曲面薄壁构件设置有限元仿真边界条件，具体过程为：基于Python脚本语言编写程序创建圆形的节点集合代替沿镜像铣削辅助支撑轴线均匀分布的六个球形支撑头，在创建的静力隐式分析步中为创建的圆形节点集合中的所有节点施加完全约束，以此来模拟大型曲面薄壁构件实际加工过程中的辅助支撑状态；
[0014]步骤七、为大型曲面薄壁构件动态施加铣削力载荷，具体过程如下：
[0015]第一步，在静力隐式分析步中，把刀具做隐藏处理，直接将铣削力载荷通过需要切除材料的节点施加到工件上；施加到需要切除材料的节点上的铣削力F
W
通过以下方法获得：
[0016]步骤101，将通过实验测得在刀具坐标系{D}下X
D
、Y
D
、Z
D
三个方向的铣削力曲线在时域上进行离散；
[0017]步骤102，刀具坐标系下的铣削力转换到工件坐标系下属于逆向运动学变换，将得到的刀具坐标系{D}下与每一个离散点相对应的铣削力F
D
通过坐标转换矩阵T
‑1变换到工件坐标系{W}下得到铣削力F
W
；
[0018]步骤103，将铣削力F
W
依照时间先后顺序依次加载到需要切除材料部位的相应网格单元的节点上；
[0019]第二步，在该静力隐式分析步结束后，卸载施加在相应节点上的铣削力F
W
，并利用生死单元技术删除与节点相对应的网格单元以模拟实际铣削过程中的材料去除；
[0020]步骤八、判断刀具轨迹中所创建的所有节点集合是否循环加载结束，如果是，则进入步骤九，否则，跳转到步骤五；
[0021]步骤九、设置工件装夹固定约束：根据大型曲面薄壁构件实际镜像铣削加工过程中的装夹状态，在大型曲面薄壁构件四周选取与装夹位置相对应的约束节点并建立约束节点集合，在初始分析步中对建立的约束节点集合施加完全固定约束；
[0022]步骤十、计算求解：将步骤三
‑
步骤九建立的有限元模型提交到隐式求解器中进行分析求解；
[0023]步骤十一、在结果分析模块中查看有限元模型的模拟计算结果得到大型曲面薄壁构件的的残余应力场和加工变形云图。
[0024]与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的优点和积极效果是：
[0025]1.本专利技术方法可以在工件坐标系下为复杂的曲面薄壁件施加方向不断变化的切
削力，能够模拟镜像铣削加工过程中辅助支撑的实际支撑状态，实现对复杂曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的预测，使仿真结果更加准确，得到的变形分布模型对控制加工变形和提高制造精度具有重要的指导价值。
[0026]2.本专利技术无需大量实验建立切削力的经验公式，可以避免耗费大量的资源，降低了时间成本，能够实现对大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形的有限元快速预测。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的基于有限元分析的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工变形预测流程图；
[0028]图2是本专利技术中实施例的贮箱箱底1/8瓜瓣状曲面薄壁构件三维模型；
[0029]图3是本专利技术中实施例的大型曲面薄壁构件镜像铣削加工刀位文件；
[0030]图4是本专利技术中实施例的加工坐标系转换示意图；
[0031]图5是本专利技术中实施例的有限元仿真模型网格划分结果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于有限元分析的大型曲面薄壁件镜像铣削变形预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、创建大型曲面薄壁构件的三维模型并导入UG软件，在UG软件中采用可变轮廓铣方法生成大型曲面薄壁构件镜像铣削加工的刀位文件；步骤二、根据刀位文件中刀具的位置信息，建立工件坐标系{W}和刀具坐标系{D}之间的转换矩阵T；步骤三、在ABAQUS有限元软件中创建大型曲面薄壁构件的有限元仿真模型，赋予大型曲面薄壁构件材料属性并进行网格划分，在划分网格时对铣削区域部分进行网格细化，以保证仿真结果的精度；步骤四、根据刀位文件中的刀具轨迹信息，选择刀具路径上需要切除材料的网格单元和节点，基于Python脚本语言编写程序，批量创建需要切除材料部位的节点集合和网格单元集合；步骤五、在ABAQUS有限元软件中创建静力隐式分析步，并通过设置该静力隐式分析步的场变量输出和历程变量输出以在后处理模块查看曲面薄壁构件的残余应力场和加工变形云图；步骤六、为大型曲面薄壁构件设置有限元仿真边界条件，具体过程为：基于Python脚本语言编写程序创建圆形的节点集合代替沿镜像铣削辅助支撑轴线均匀分布的六个球形支撑头，在创建的静力隐式分析步中为创建的圆形节点集合中的所有节点施加完全约束，以此来模拟大型曲面薄壁构件实际加工过程中的辅助支撑状态；步骤七、为大型曲面薄壁构件动态施加铣削力载荷，具体过程如下：第一步，在静力隐式分析步中，把刀具做隐藏处理，直接将铣削力载荷通过需要切除材料的节点施加到工件上；施加到需要切除材料的节点上的铣削力F
W

【专利技术属性】
技术研发人员：秦旭达，张绍璞，李士鹏，刘雪峰，崔鑫，马康，
申请(专利权)人：天津航天长征火箭制造有限公司，
类型：发明
国别省市：