一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法制造技术

本发明专利技术一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，属于旋压成形加工数值仿真领域；首先依据旋轮的位置设计了工件网格的尺寸场，随后依该尺寸场在柱面上以维度分离的弹簧比拟法生成变密度的全四边形网格，再将该网格投影至工件以生成内外表面网格，最后通过线性插值获得内部节点，连接各节点即可获得最终的变密度网格。本发明专利技术采用维度分离法与柱面退化网格大幅缩减了网格节点位置迭代的计算量，加之线性弹簧比拟法有效降低了迭代方程的非线性程度，使得平滑过渡的局部加密全六面体网格可被快速生成。在该变密度网格中，由于采用点加密形式，模型计算规模可得到超过70％的大幅缩减，由此带来高达4倍的仿真加速。由此带来高达4倍的仿真加速。由此带来高达4倍的仿真加速。

【技术实现步骤摘要】
一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法


[0001]本专利技术属于旋压成形加工数值仿真领域，涉及一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，具体为一种在筒型件流动旋压仿真中快速变换工件网格密度的维度分离弹簧比拟法。

技术介绍

[0002]随着航空、航天等领域高端装备的迅速发展，特别是新一代导弹、火箭等的研制，对其关键构件的长寿命、轻量化和高可靠提出了更高的要求，利用流动旋压技术整体成形的铝合金大直径薄壁长筒型构件可满足上述高性能需求。但在流动旋压成形中应用有限元法(Finite Element Method,FEM)进行工艺研究时，由于该工艺的局部点加载特性及成形区与工件的极端尺寸搭配限制了模型的单元尺寸，同时极小的时间增量步长与频繁的网格重划分加剧了仿真时间消耗，使仅有数十秒的工艺也需耗费数周乃至数月的仿真时间。因此，研究提出高效的流动旋压仿真技术对加速工艺设计、缩短高端航宇装备研发周期有重要意义。
[0003]采用网格密度控制可充分利用旋压的增量成形特点，通过仅保留与旋轮接触的塑性变形区内网格的密度可有效降低模型的整体规模，进而大幅缩减仿真耗时。但在旋压工艺中采用网格密度控制方法还面临如下两点问题：(1)工件为保证精度而采用的结构化全六面体网格难以进行高质量的密度控制；(2)三维网格网格重构相对耗时。因此，迫切需要一种快速的高质量全六面体网格密度控制算法，能根据旋轮的位置快速生成工件的变密度网格。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题：
[0005]为了避免现有技术的不足之处，针对旋压工件重构高质量网格困难且耗时的问题，本专利技术提供一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，该方法旨在构造仅于流动旋压工件塑性变形区局部加密的平滑过渡全六面体网格模型，从而大幅缩减模型计算规模，并保证模型的精确高效仿真。同时，依靠网格模型在成形过程中依据原始模型几何形状的自适应高保真动态重构，与基于间接数据传递方案的场变量映射满足模型序列的计算连续性。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，具体步骤如下：
[0007]S1：网格尺寸场的确定；
[0008]S11：确定加密区与过渡区的位置；
[0009]S12：确定单元尺寸场；
[0010]S2：依据单元尺寸场生成柱面上的平滑过渡局部加密全四边形网格；
[0011]S21：布置单维度的控制节点；
[0012]S22：依据弹簧比拟法迭代确定控制节点位置分布；
[0013]S23：由控制节点生成平滑过渡的局部加密四边形网格；
[0014]S3：依据柱面网格构造工件的变密度全六面体计算网格；
[0015]S31：提取工件原始网格内外表面的轴向线；
[0016]S32：利用柱面网格的轴向控制节点截取轴向线，获取系列等高节点；
[0017]S33：依据等高节点，采用非扭结边界条件的三次样条曲线，重构内外表面的周向线；
[0018]S34：利用柱面网格的周向控制节点截取重构的周向线，创建网格内外表面节点；
[0019]S35：基于新生成的内外表面节点，通过线性插值构造内部节点，并依据结构化网格节点间拓扑关系创建六面体单元。
[0020]本专利技术的进一步技术方案是：所述S11中加密区的位置确定：
[0021]旋轮的位置在柱坐标系下表示为(ρ，θ，z)，假设每时刻旋轮的塑性变形被局限在[θ
‑
θ
l
，θ+θ
r
]×
[z
‑
z
b
，z+z
t
]的矩形影响区内，则在ΔT时间内由旋轮影响区的包络[θ
‑
ωΔT
‑
θ
l
，θ+θ
r
]×
[z
‑
z
b
，z+vΔT+z
t
]表示加密区的范围，其中，ω为芯模转速，v为旋轮进给速度，θ
l
与θ
r
为旋轮接触位置距影响区左右边界的弧度值，z
t
与z
b
为旋轮接触位置距影响区上下边界的尺寸。
[0022]本专利技术的进一步技术方案是：其中，θ
l
、θ
r
、z
t
与z
b
决定旋轮影响区的尺寸，θ
l
与θ
r
取值在15～30
°
范围内，z
b
至少取值10mm，z
t
取值需能包含材料堆积与不贴膜，在小压下量情况下至少取值10mm。
[0023]本专利技术的进一步技术方案是：所述S11中过渡区的位置确定：
[0024]加密区RZ沿边界向外分别沿周向与轴向延伸θ
trans
与z
trans
的范围定义为过渡区，假设过渡区内有n个单元，加密区内单元的尺寸为s0，单元的放大倍数是m，则过渡区的尺寸应在[ns0，nms0]的范围内，取为
[0025]本专利技术的进一步技术方案是：所述S12中确定单元尺寸场的方法，加密区内单元的尺寸为s0≤(α+β)r/3，其中α、β与r分别为旋轮的攻角、退出角与圆角半径；粗网格区内单元尺寸为ms0；过渡区内单元尺寸为从s0到ms0的线性过渡；在单维度上定义当前位置距加密区的距离为：
[0026][0027]其中δ1与δ2为相应方向加密区的边界，l为相应方向的过渡区范围，在周向与轴向分别为θ
trans
与z
trans
；据此可定义周轴两向单维度的单元尺寸场为：
[0028][0029]本专利技术的进一步技术方案是：所述S21中布置单维度的控制节点的方法，依据网格周轴两向的网格种子数N
T
与N
A
，设置沿两向的均布等间距控制节点；种子点数依式(3)确定，如下：
[0030][0031]式中，R、T与L分别为筒坯的内半径、厚度与长度；
[0032]本专利技术的进一步技术方案是：所述S22中依据弹簧比拟法迭代确定控制节点位置分布的方法为，假设控制节点间由虚拟的线性弹簧连接，则控制节点i受虚拟弹簧力为f
i
，组装得力矢量F(X)＝{f1，f2，
…
，f
N
}
T
；当F(X)＝0时网格密度分布达标，据此构造常微分方程并由前向Euler差分格式递推计算X
(k+1)
＝X
(k)
+ΔτF
(n)
直至收敛；其中，Δτ为平衡方程的虚拟时间增量步长，取10
‑4s的恒定值；
[0033]本专利技术的进一步技术方案是：所述确定控制节点位置分布的方法具体步骤如下：
[0034]S221：初始化；记k＝0，初始控制节点位置为X
(0)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，其特征在于具体步骤如下：S1：网格尺寸场的确定；S11：确定加密区与过渡区的位置；S12：确定单元尺寸场；S2：依据单元尺寸场生成柱面上的平滑过渡局部加密全四边形网格；S21：布置单维度的控制节点；S22：依据弹簧比拟法迭代确定控制节点位置分布；S23：由控制节点生成平滑过渡的局部加密四边形网格；S3：依据柱面网格构造工件的变密度全六面体计算网格；S31：提取工件原始网格内外表面的轴向线；S32：利用柱面网格的轴向控制节点截取轴向线，获取系列等高节点；S33：依据等高节点，采用非扭结边界条件的三次样条曲线，重构内外表面的周向线；S34：利用柱面网格的周向控制节点截取重构的周向线，创建网格内外表面节点；S35：基于新生成的内外表面节点，通过线性插值构造内部节点，并依据结构化网格节点间拓扑关系创建六面体单元。2.根据权利要求1所述一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，其特征在于：所述S11中加密区的位置确定：旋轮的位置在柱坐标系下表示为(ρ，θ，z)，假设每时刻旋轮的塑性变形被局限在[θ
‑
θ
l
，θ+θ
r
]
×
[z
‑
z
b
，z+z
t
]的矩形影响区内，则在ΔT时间内由旋轮影响区的包络[θ
‑
ωΔT
‑
θ
l
，θ+θ
r
]
×
[z
‑
z
b
，z+vΔT+z
t
]表示加密区的范围，其中，ω为芯模转速，v为旋轮进给速度，θ
l
与θ
r
为旋轮接触位置距影响区左右边界的弧度值，z
t
与z
b
为旋轮接触位置距影响区上下边界的尺寸。3.根据权利要求2所述一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，其特征在于：其中，θ
l
、θ
r
、z
t
与z
b
决定旋轮影响区的尺寸，θ
l
与θ
r
取值在15～30
°
范围内，z
b
至少取值10mm，z
t
取值需能包含材料堆积与不贴膜，在小压下量情况下至少取值10mm。4.根据权利要求2所述一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，其特征在于：所述S11中过渡区的位置确定：加密区RZ沿边界向外分别沿周向与轴向延伸θ
trans
与z
trans
的范围定义为过渡区，假设过渡区内有n个单元，加密区内单元的尺寸为s0，单元的放大倍数是m，则过渡区的尺寸应在[ns0，nms0]的范围内，取为5.根据权利要求4所述一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，其特征在于：所述S12中确定单元尺寸场的方法，加密区内单元的尺寸为s0≤(α+β)r/3，其中α、β与r分别为旋轮的攻角、退出角与圆角半径；粗网格区内单元尺寸为mis0；过渡区内单元尺寸为从s0到mis0的线性过渡；在单维度上定义当前位置距加密区的距离为：其中δ1与δ2为相应方向加密区的边界，l为相应方向的过渡区范围，在周向与轴向分别为θ
trans
与z
trans
；据此可定义周轴两向单维度的单元尺寸场为：
6.根据权利要求5所述一种用于旋压移动网格法的维度分离弹簧比拟法，其特征在于：所述S21中布置单维度的控制节点的方法，依据网格周轴两向的网格种子数N
T
与N
A
，设置沿两向的均布等间距控制节点；种子点数依式(3)确定，如下：式中，R、T与L分别为筒坯的内半径、厚度与长度。7.根据权利要求6所述一种用于旋压移动网格法的维度分离...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹梅，董赟达，翟卓蕾，樊晓光，石志鹏，
申请(专利权)人：西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：