本發(fā)明涉及機械加工及成形仿真領(lǐng)域，尤其涉及大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法。

背景技術(shù)：

為了滿足安全、經(jīng)濟、舒適、環(huán)保的綜合要求，新型商用飛機在機體材料和結(jié)構(gòu)的選擇上，一方面選用鋁合金、鋁鋰合金等密度小、比強度高的輕質(zhì)材料，另一方面大量采用多臺階薄壁結(jié)構(gòu)，如機頭、中后機身蒙皮等，通過對蒙皮壁板局部減薄，形成多臺階薄壁結(jié)構(gòu)，可使蒙皮壁板重量減輕40％以上。其中，單曲率帶臺階薄壁結(jié)構(gòu)是飛機蒙皮壁板的典型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式，通過滾彎成形單曲率大尺寸板材，并進行銑削加工得到單曲率帶臺階薄壁結(jié)構(gòu)件。

滾彎是利用兩至四根同步旋轉(zhuǎn)的輥軸，使板材產(chǎn)生連續(xù)塑性彎曲并通過控制輥軸間距實現(xiàn)零件所需曲率的成形方法，在飛機鈑金件制造中得到了廣泛的應(yīng)用。飛機生產(chǎn)中，滾彎工藝主要用于成形機身、機翼蒙皮，油箱外蒙皮等單曲率零件，成形后一般要經(jīng)過化學(xué)銑削或者機械銑削除去多余材料達到結(jié)構(gòu)需求和減重目的。蒙皮結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機氣動外形的重要零件，承擔(dān)承受和傳遞載荷的作用，因而形狀精度要求很高。但在滾彎過程中，板材最終的曲率受到材料自身性能、摩擦、回彈等多因素的影響，尺寸精確控制比較困難，特別是大尺寸零件的滾彎過程中，其回彈現(xiàn)象更為嚴重。同時在化學(xué)銑切或機械銑削過程中由于銑切形狀、深度等因素的影響會造成進一步的回彈變形，進一步增加了零件制造精度控制的難度，對零件的尺寸精度和生產(chǎn)效率造成極大的影響。

在實際生產(chǎn)中，一般通過后期校形或者多次滾彎等手段對回彈進行控制或者消除。然而，這些操作會導(dǎo)致材料性能的降低，因而精確控制蒙皮滾彎-銑削過程的回彈對當(dāng)前飛機大尺寸蒙皮結(jié)構(gòu)件成形具有重要意義。采用傳統(tǒng)的“試錯法”實現(xiàn)蒙皮滾彎-銑削回彈的控制需要大量的驗證試驗，同時精度也難以保障。而利用有限元仿真研究彎曲成形可以較全面的分析滾彎過程各因素對加工精度的影響，但是有限元仿真技術(shù)在滾彎和銑削過程的集成仿真上的應(yīng)用和研究還處于空白。為此，亟需一種適用于大尺寸帶臺階薄壁件滾彎-銑削全過程的有限元仿真方法，來為帶臺階薄壁件的設(shè)計制造，例如飛機蒙皮件的設(shè)計制造，提供仿真分析和理論研究的有效手段，從而精確控制大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程，對加工過程中的回彈進行控制或者消除，以避免目前通常采用的后期校形或者多次滾彎等手段所導(dǎo)致的材料性能的降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中通過后期校形或者多次滾彎等手段對大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程中的回彈進行控制，會導(dǎo)致薄壁件的材料性能降低的缺陷，提出一種大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：

本發(fā)明提供了一種大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法，其特點在于，所述有限元仿真方法包括以下步驟：

步驟一、建立板料的滾彎模型，所述板料為彈塑性體，并采用線性減縮積分殼單元進行網(wǎng)格劃分，所述滾彎模型用于模擬板料的滾彎過程，所述滾彎過程包括板料的彎曲、滾彎和回彈；

步驟二、基于所述滾彎模型模擬所述滾彎過程后的結(jié)果，通過子模型技術(shù)模擬切邊過程，其中切邊過程去除板料的邊緣平直部分而保留中間的均勻變形區(qū)域，然后根據(jù)所述大尺寸帶臺階薄壁件的零件結(jié)構(gòu)分割出板料的待銑削區(qū)域，并修改板料的不同區(qū)域的殼單元的厚度值，以模擬所述大尺寸帶臺階薄壁件的銑削過程；

步驟三、基于步驟二模擬銑削過程得到的工件，進行回彈過程的模擬，回彈過程的模擬包括關(guān)閉真空吸附系統(tǒng)，使銑削得到的工件在真空平臺上處于無約束自由變形狀態(tài)，在所述工件的底面選擇板料的中心處呈十字形的五個點，約束所述五個點的位移和轉(zhuǎn)動以進行板料銑削后的回彈計算，其中對所述五個點的約束條件為，中心點被完全固定，而其他四個點則被約束為最大限度減少對回彈變形的影響。

較佳地，對所述五個點中除中心點外的其他四個點的約束條件為：

相對中心點以第一軸向分布的兩點，其第二軸向的平移自由度以及繞第一軸向及繞第三軸向的旋轉(zhuǎn)自由度受到約束；

相對中心點以第二軸向分布的兩點，其第一軸向的平移自由度以及繞第二軸向及繞第三軸向的旋轉(zhuǎn)自由度受到約束；

其中第一軸向、第二軸向、第三軸向相互垂直，且第二軸向為板料滾彎的方向。

較佳地，步驟一中，采用離散剛體建模一個上滾筒、兩個下滾筒作為與板料發(fā)生接觸及擠壓的部件，并按照大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎成形過程控制滾筒的運動，模擬滾彎過程。

較佳地，所述滾彎過程的模擬包括以下三個分析步：

第一步，所述上滾筒下壓以使得板料彎曲，通過調(diào)整上滾筒的下壓量實現(xiàn)對滾彎過程的彎曲半徑的控制；

第二步，所述上滾筒保持下壓狀態(tài)不變并自轉(zhuǎn)，通過與板料的摩擦接觸實現(xiàn)板料的滾彎，所述下滾筒隨動，使得板料由一側(cè)邊緣開始滾彎，滾彎到另一側(cè)邊緣后所述上滾筒反轉(zhuǎn)，回到下壓狀態(tài)的起始位置停止；

第三步，滾彎終止，所述上滾筒抬升，板料發(fā)生回彈。

較佳地，步驟一中，開啟沙漏剛度增強控制以避免所述滾彎過程中板料出現(xiàn)沙漏。

較佳地，所述有限元仿真方法采用ABAQUS軟件實施。

較佳地，步驟一中的計算采用顯式算法Explicit進行計算。

較佳地，步驟三中采用靜力隱式算法模擬回彈過程。

較佳地，所述大尺寸帶臺階薄壁件為單曲率帶臺階薄壁件。

在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實例。

本發(fā)明的積極進步效果在于：

本發(fā)明的大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法，能夠精確控制大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程，能夠控制甚至消除加工過程中的回彈，避免了目前通常采用的后期校形或者多次滾彎等手段所導(dǎo)致的材料性能降低的缺陷。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一較佳實施例的大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明一較佳實施例的有限元仿真方法中板料的滾彎模型的初始狀態(tài)的示意圖；

圖3是在有限元仿真中可能出現(xiàn)的沙漏問題的示意圖；

圖4是本發(fā)明一較佳實施例的有限元仿真方法中，板料銑削、切邊后的零件示意圖；

圖5是本發(fā)明一較佳實施例的有限元仿真方法中，銑削后回彈的五點約束的示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖，進一步對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細描述，以下的描述為示例性的，并非對本發(fā)明的限制，任何的其他類似情形也都落入本發(fā)明的保護范圍之中。

在以下的具體描述中，方向性的術(shù)語，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，參考附圖中描述的方向使用。本發(fā)明的實施例的部件可被置于多種不同的方向，方向性的術(shù)語是用于示例的目的而非限制性的。

參考圖1所示，本發(fā)明一較佳實施例的大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法，包括以下步驟：

步驟一、建立板料的滾彎模型，所述板料為彈塑性體，并采用線性減縮積分殼單元進行網(wǎng)格劃分，所述滾彎模型用于模擬板料的滾彎過程，所述滾彎過程包括板料的彎曲、滾彎和回彈；

步驟二、基于所述滾彎模型模擬所述滾彎過程后的結(jié)果，通過子模型技術(shù)模擬切邊過程，其中切邊過程去除板料的邊緣平直部分而保留中間的均勻變形區(qū)域，然后根據(jù)所述大尺寸帶臺階薄壁件的零件結(jié)構(gòu)分割出板料的待銑削區(qū)域，并修改板料的不同區(qū)域的殼單元的厚度值，以模擬所述大尺寸帶臺階薄壁件的銑削過程；

步驟三、基于步驟二模擬銑削過程得到的工件，進行回彈過程的模擬，回彈過程的模擬包括關(guān)閉真空吸附系統(tǒng)，使銑削得到的工件在真空平臺上處于無約束自由變形狀態(tài)，在所述工件的底面選擇板料的中心處呈十字形的五個點，約束所述五個點的位移和轉(zhuǎn)動以進行板料銑削后的回彈計算，其中對所述五個點的約束條件為，中心點被完全固定，而其他四個點則被約束為最大限度減少對回彈變形的影響。

應(yīng)當(dāng)理解的是，步驟一中涉及的板料的回彈和步驟三中涉及的回彈是零件在滾彎-銑削過程的加工過程中先后發(fā)生的不同的回彈。前一次為滾彎過程中的回彈，后一次則是通常由于銑削、銑切過程中受到銑切深度、形狀等因素影響造成的進一步回彈。

對于零件加工過程的有限元仿真的準確性與有限元模型的建立和邊界條件的確立有著直接的關(guān)系，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，邊界條件一般都可由有限元仿真試圖模擬的零件加工過程的具體加工要求、零件尺寸等確定，在此不做贅述。對于本發(fā)明涉及的大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程，滾彎和銑削是成形過程的兩個重要工序，所以滾彎模型和銑削模型是本發(fā)明技術(shù)方案中的重要組成部分，這兩個模型的建立以及所進行的相關(guān)模擬、運算大體上可對應(yīng)于本發(fā)明的步驟一和步驟二。以下將更詳細地舉例說明本發(fā)明的大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法。

在本發(fā)明的較佳實施例中，上述步驟一具體可包括如下過程。舉例來說，參考圖2所示，可根據(jù)三軸板材輥彎機的結(jié)構(gòu)及尺寸，建立模型，模型中具有三個滾筒以作為與板料3發(fā)生接觸及擠壓的主要部件，三個滾筒采用離散剛體建模，不考慮其變形。建模中采用的參數(shù)包括上滾筒1的半徑r1，兩個下滾筒2的半徑r2，下滾筒2的間距L。板料3建模為彈塑性體，并選用線性減縮積分殼單元S4R進行網(wǎng)格劃分，并開啟沙漏剛度增強控制，防止?jié)L彎過程中板料出現(xiàn)沙漏。可能出現(xiàn)的沙漏缺陷參見圖3所示。板料置于上下滾筒之間，按照滾彎成形的實際過程控制滾筒的運動，實現(xiàn)滾彎過程。

具體來說，滾彎過程可通過建立以下三個分析步來完成仿真：第一步，上滾筒1下壓，使得板料3彎曲，通過調(diào)整上滾筒1的下壓量H(如圖2所示)可以實現(xiàn)對滾彎過程彎曲半徑的控制；第二步，上滾筒1保持下壓狀態(tài)不動，上滾筒1自轉(zhuǎn)，通過與板料3的摩擦接觸實現(xiàn)板料3的滾彎，下滾筒2隨動，板料3由一側(cè)邊緣開始滾彎，滾彎到另一側(cè)邊緣后上滾筒1反轉(zhuǎn)，回到下壓的起始位置停止；第三步，滾彎結(jié)束后，上滾筒1上升，板料3發(fā)生回彈。滾彎過程的具體計算和模擬，可采用例如ABAQUS軟件的顯式算法Explicit進行計算。

在本發(fā)明的較佳實施例中，采用上述步驟二完成局部子模型的切邊、銑削的仿真。銑切后的壁板如圖4所示，步驟二具體可包括如下過程。

在銑削仿真模型中，由于其仿真過程是基于滾彎的仿真結(jié)果，因此銑削仿真模型，只需要單獨建立坯料的有限元模型。基于子模型特點以及銑削零件的結(jié)構(gòu)尺寸，對坯料的尺寸重新定義，使其與切邊后的零件尺寸一致；同時對板料進行分割，將需要銑削的區(qū)域分割出來，對其厚度進行重新定義，使其與坯料實際銑削后的厚度分布一致。最后，通過子模型重算技術(shù)，將滾彎模型的仿真結(jié)果在更改結(jié)構(gòu)后的板料中實現(xiàn)子模型重算，完成滾彎仿真結(jié)果的傳遞，實現(xiàn)銑削過程的仿真。

通過上述步驟，將模擬切邊后的板料的保留部分作為局部子模型，修改對應(yīng)于帶臺階薄壁結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域的殼單元的厚度值以模擬銑削過程，以得到模擬得到的銑削后的零件的仿真結(jié)果。

在本發(fā)明的較佳實施例中，采用上述步驟三模擬零件材料在銑削后的回彈。具體來說，基于步驟二中的銑削仿真結(jié)果，通過預(yù)定義場的方式將銑削仿真結(jié)果傳遞到回彈仿真模型中。由于坯料回彈過程僅涉及坯料內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，因此回彈仿真模型只需建立坯料模型，基于預(yù)定義場和回彈特點，回彈仿真模型中坯料的尺寸與結(jié)構(gòu)應(yīng)與銑削仿真模型中的坯料尺寸一致。步驟三中的回彈過程采用靜力隱式算法完成模擬。

其中卸載回彈過程中夾持位置的選取是一個關(guān)鍵，在實際加工中，銑削完成后關(guān)閉真空吸附系統(tǒng)，使工件在真空平臺上處于無約束自由變形狀態(tài)，此時需要將前面所有的約束取消，同時為了消除工件的剛體位移，結(jié)合回彈仿真特點，需要在工件底面選擇板料中心十字形的五個點，如圖5所示，約束五點的位移及轉(zhuǎn)動，其中僅中心點采用完全固定約束，其他點的約束原則為，其約束最大限度減少對回彈變形的影響。例如，參考圖5所示，對所述五個點的約束條件為：中心點被完全固定；相對中心點以X軸方向分布的兩點，其Y軸方向的平移自由度以及繞X軸方向及繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)自由度受到約束；相對中心點以Y軸方向分布的兩點，其X軸方向的平移自由度以及繞Y軸方向及繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)自由度受到約束；其中X軸方向、Y軸方向、Z軸方向相互垂直，且Y軸方向為板料滾彎的方向。即，中心點的X方向的兩點的邊界條件可為U2＝UR1＝UR3＝0，中心點的Y方向的兩點的邊界條件為U1＝UR2＝UR3＝0。其中，U表示平移自由度，UR表示轉(zhuǎn)動自由度，1、2、3分別表示X、Y、Z軸方向。上述邊界條件用于約束與板料滾彎進給方向相垂直方向的位移以及除滾輪旋轉(zhuǎn)方向外其余兩個方向的旋轉(zhuǎn)自由度，約束五點的位移及轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)板料切邊、銑削后的回彈。

本發(fā)明的大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的有限元仿真方法，充分利用了大尺寸帶臺階薄壁件的滾彎-銑削過程的一些特性來提高有限元仿真方法的效率，同時保證其準確性

首先，以滾彎模型為例，滾彎模型的建立應(yīng)比較準確的將滾彎后的殘余應(yīng)力和回彈移入銑削模型中，以實現(xiàn)材料去除后對應(yīng)力釋放及重新分布引起的回彈的精確描述，同時由于滾彎過程主要變形區(qū)域集中在板料中間部分，沿進料方向的前后邊緣處的曲率很小，所以在完成大尺寸板材的滾彎變形后，本發(fā)明通過切邊去掉邊緣平直部分，保留中間均勻變形區(qū)域，并通過子模型技術(shù)實現(xiàn)切邊過程的模擬

其次，由于銑削加工過程是一個涉及變形、斷裂、動力學(xué)、非線性接觸、熱傳導(dǎo)等眾多復(fù)雜物理現(xiàn)象，同時又包含機床、刀具、夾具、工件等工藝系統(tǒng)諸多環(huán)節(jié)的過程，因此要建立準確的銑削加工工藝過程的仿真模型是相當(dāng)困難的，通常需要在保證分析結(jié)果精度的前提下，對這些復(fù)雜的物理條件進行一定的數(shù)值簡化。就本發(fā)明而言，本發(fā)明利用了，大尺寸帶臺階薄壁件一般接近于單曲率帶臺階薄壁件，其銑削過程中銑削量較小，銑削力較小，因此產(chǎn)生的銑削熱較少，并且加工過程中通常都一直會用切削液冷卻且冷卻效果好，在本發(fā)明中忽略銑削熱的影響，同時，應(yīng)變速率的影響也可以忽略，因而使用彈塑性材料模型。

此外，對于體單元模型，典型的材料去除方式是單元生死技術(shù)，但是使用體單元計算滾彎模型過程中存在計算效率低和容易產(chǎn)生沙漏現(xiàn)象的缺點，因此本發(fā)明中采用殼單元進行模擬，通過修改帶臺階薄壁結(jié)構(gòu)不同區(qū)域殼單元的厚度值，并結(jié)合子模型重算技術(shù)完成銑削模擬。該方法在保證計算精度的同時，大大提高了計算效率，節(jié)約了計算成本。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。