用于確定復(fù)雜曲面形狀工件激光噴丸成形工藝參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械工程技術(shù)，具體地，涉及一種用于確定復(fù)雜曲面形狀工件激光噴 丸成形工藝參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光噴丸成形工藝在飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身及運(yùn)載火箭燃料箱等大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜曲面形 狀工件成形中具有廣闊的應(yīng)用前景。由于該工藝采用激光作為能量源，工藝參數(shù)可控性強(qiáng)， 從而更易于實(shí)現(xiàn)大型工件的精確成形。但是，由于激光噴丸成形工藝是一種無模成形工藝， 其成形整體壁板等工件是通過控制成形表面激光噴丸參數(shù)和路徑來實(shí)現(xiàn)的。由于沒有確定 的模具來保證獲得目標(biāo)形狀，給工藝參數(shù)和噴丸路徑的控制帶來了極大的困難。
[0003] 申請?zhí)枮?00510040116. 9的發(fā)明公開的一種中厚板材激光噴丸成形的方法，根 據(jù)加工零件的曲面形狀，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬出所需應(yīng)力場分布形狀，優(yōu)化出作用 在板料表面的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布，但是該方法沒有關(guān)注引起曲面變形的根本原 因一一固有應(yīng)變，沒有提供如何獲得工藝參數(shù)的方法，更沒有實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，成形復(fù) 雜曲率的壁板難度很大；此外，申請?zhí)枮?01310384814. 5的發(fā)明公開的一種整體壁板的數(shù) 字化噴丸成形方法，對整體壁板的幾何信息及材料特性進(jìn)行分析后，確定噴丸路徑和噴丸 工藝參數(shù)，基于三維軟件對噴丸路徑和工藝參數(shù)的選擇完全建立在幾何特征的基礎(chǔ)上，計(jì) 算效率和準(zhǔn)確性都難以滿足實(shí)際需求。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有的關(guān)于激光噴丸成形工藝方法中工藝參數(shù)的確定過于依賴曲面的 幾何特征，而沒有考慮引起材料變形的本質(zhì)特征一一固有應(yīng)變。由于激光噴丸成形工藝的 復(fù)雜性，通過人工調(diào)節(jié)參數(shù)達(dá)到與目標(biāo)曲面相同的應(yīng)力分布難度很大，對形狀比較復(fù)雜的 曲面成形精度不高。此外，不同的工藝參數(shù)可以達(dá)到相同的變形結(jié)果，但是成形效率和消耗 的能量會存在很大的差別，現(xiàn)有的工藝方法忽略了工藝參數(shù)優(yōu)化的問題。所以，亟需一種基 于曲面變形本質(zhì)特征可以用于確定復(fù)雜曲面形狀工件激光噴丸成形工藝參數(shù)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于確定復(fù)雜形狀曲面激光噴 丸成形工藝參數(shù)的方法，能夠根據(jù)已知的復(fù)雜形狀工件的曲面描述方程，進(jìn)行曲面的幾何 特征分析計(jì)算出主應(yīng)變方向，建立以深度方向固有應(yīng)變分布為變形來源的工件彎曲變形有 限元模型，以固有應(yīng)變?yōu)橹虚g量通過仿真優(yōu)化來獲得不同位置深度方向的固有應(yīng)變分布； 然后通過建立不同工藝參數(shù)下的固有應(yīng)變響應(yīng)面模型，通過工藝參數(shù)優(yōu)化分析獲得不同位 置固有應(yīng)變對應(yīng)的激光噴丸成形工藝參數(shù)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的用于確定復(fù)雜曲面形狀工件激光噴丸成形工藝參數(shù)的方法，包 括如下步驟：
[0007] 步驟1 :根據(jù)工件的曲面參數(shù)方程，進(jìn)行工件的曲面的幾何特征分析計(jì)算出主應(yīng) 變方向，進(jìn)而得到激光噴丸成形中激光脈沖掃描方向；
[0008] 步驟2 :建立以深度方向固有應(yīng)變分布為變形來源的工件彎曲變形有限元模型， 固有應(yīng)變方向?yàn)樗鲋鲬?yīng)變方向，通過固有應(yīng)變場優(yōu)化，得到工件不同位置沿深度方向固 有應(yīng)變分布；
[0009] 步驟3 :根據(jù)不同激光噴丸成形工藝參數(shù)下的固有應(yīng)變響應(yīng)面模型以及所述工件 不同位置深度方向的固有應(yīng)變，進(jìn)行激光噴丸成形工藝參數(shù)優(yōu)化，得到與工件表面不同固 有應(yīng)變場相對應(yīng)的最佳激光噴丸成形工藝參數(shù)。
[0010] 優(yōu)選地，所述曲面參數(shù)方程，具體為，根據(jù)已知工件的曲面方程或部分點(diǎn)坐標(biāo)，通 過參數(shù)變換或是Bezier曲線獲得相應(yīng)的曲面參數(shù)方程Sj=r(/.M'），其中，2為曲面的符 號表示，？為曲面的向量函數(shù)方程，u，v分別為曲面的參數(shù)坐標(biāo)。
[0011] 優(yōu)選地，其特征在于，所述主應(yīng)變方向，具體為，采用微分幾何曲面理論，根據(jù)曲面 的幾何特征，通過曲面主曲率的計(jì)算公式求解曲面節(jié)點(diǎn)的主曲率方向作為固有應(yīng)變平面的 主應(yīng)變方向。
[0012] 優(yōu)選地，其特征在于，所述激光脈沖的掃描方向，為根據(jù)求解出的固有應(yīng)變平面的 主應(yīng)變方向，將最小的主應(yīng)變方向作為激光脈沖掃描方向。
[0013] 優(yōu)選地，其特征在于，根據(jù)有限元仿真，沿深度方向的固有應(yīng)變分布滿足分布函數(shù) 氺 ￡ :
[0014] e*=a*EXP(-((x_b)/c) 2) (1)
[0015] 其中，x為工件厚度方向位置，上表面x= 0 ;a，b，c為設(shè)計(jì)變量。
[0016] 優(yōu)選地，所述工件彎曲變形有限元模型，具體為，根據(jù)工件壁板厚度建立相應(yīng)的分 層殼單元，定義壁板材料屬性中的各向異性熱膨脹系數(shù)a和單元溫度場，在溫度場AT下 相應(yīng)的固有應(yīng)變e為e=aAT，
[0017] a(x,y,z) =e*(x,y,z) (2)
[0018] T(x,y,z) = 1 (3)
[0019] 其中，x，y，z分別為空間笛卡爾坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸，T(x，y，z)為溫度函數(shù)方程，，表 示初始固有應(yīng)變。
[0020] 優(yōu)選地，所述固有應(yīng)變場優(yōu)化，具體為，在于建立以曲面主曲率方向?yàn)橹鲬?yīng)變方向 的工件彎曲變形有限元模型，以公式（1)中系數(shù)a，b，c為設(shè)計(jì)變量，在小于等于殘余壓應(yīng)力 的范圍內(nèi)，以曲面位移差值平方和最小或應(yīng)變能最小為目標(biāo)的仿真優(yōu)化，獲得深度方向固 有應(yīng)變分布。
[0021] 優(yōu)選地，所述固有應(yīng)變響應(yīng)面模型，具體為，根據(jù)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以激光噴丸工 藝參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以表征固有應(yīng)變大小的參數(shù)為響應(yīng)建立的固有應(yīng)變響應(yīng)面模型。
[0022] 優(yōu)選地，所述激光噴丸成形工藝參數(shù)優(yōu)化，具體為，基于固有應(yīng)變響應(yīng)面模型，建 立以固有應(yīng)變場優(yōu)化結(jié)果相對誤差的平方和最小為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化出成形曲面最佳 的激光噴丸參數(shù)
[0023] 優(yōu)選地，所述工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為基于固有應(yīng)變響應(yīng)面模型，利用有限元仿真及實(shí) 驗(yàn)建立的固有應(yīng)變與不同激光噴丸工藝參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0025] 1、本發(fā)明由于采用脈沖激光束，相對于傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸，是非接觸式成形，可以避 免表面明顯的機(jī)械損傷，表面粗糙度值低，表面引入的殘余壓應(yīng)力比機(jī)械噴丸深得多，有效 地提高材料的抗疲勞和耐腐蝕性能；因?yàn)榧す鈪?shù)和噴丸位置精確可控，所以成形精度高， 工藝過程的重復(fù)性好；
[0026] 2、本發(fā)明根據(jù)曲面的幾何特征通過數(shù)學(xué)算法計(jì)算主應(yīng)變方向，以固有應(yīng)變?yōu)橹虚g 量通過有限元優(yōu)化模型獲得不同位置深度方向的固有應(yīng)變分布，可以將非彈性變形轉(zhuǎn)化為 彈性變形問題來提高有限元仿真的效率和精度；因?yàn)楣逃袘?yīng)變的數(shù)值主要取決于工藝參 數(shù)，材料屬性和工件厚度，與幾何形狀無關(guān)，所以對于某種材料而言固有應(yīng)變確定后相對應(yīng) 的激光噴丸工藝參數(shù)也就確定；
[0027] 3、本發(fā)明通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)建立固有應(yīng)變與工藝參數(shù)之間的聯(lián)系，基于固有 應(yīng)變響應(yīng)面模型通過回歸分析建立表征固有應(yīng)變大小的參數(shù)與激光噴丸工藝參數(shù)之間的 回歸關(guān)系獲得最佳工藝參數(shù)，可以精確成形復(fù)雜雙曲率曲面，提高板料成形的效率。
【附圖說明】
[0028] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：
[0029] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明中馬鞍形目標(biāo)曲面與優(yōu)化曲面的三維圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明中馬鞍形目標(biāo)曲面與優(yōu)化曲面的誤差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0033] 在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的用于確定復(fù)雜曲面形狀工件激光噴丸成形工藝參數(shù) 的方法包括以下步驟：
[0034] 步驟1 :根據(jù)已知的復(fù)雜形狀工件的曲面參數(shù)方程，進(jìn)行曲面的幾何特征分析計(jì) 算出主應(yīng)變方向，進(jìn)而得到激光噴丸成形中激光脈沖掃描方向；
[0035] 所述的復(fù)雜形狀工件的曲面參數(shù)方程，根據(jù)已知曲面方程或部分點(diǎn)坐標(biāo)，通過參 數(shù)變換或是Bezier曲線獲得相應(yīng)的曲面參數(shù)方程:
[0036] 所述主應(yīng)變方向，具體為，采用微分幾何曲面理論，根據(jù)曲面的幾何特征，通過曲 面主曲率的計(jì)算公式求解曲面節(jié)點(diǎn)的主曲率方向作為固有應(yīng)變平面的主應(yīng)變方向；
[0037] 所述激光脈沖的掃描方向，為根據(jù)求解出的固有應(yīng)變平面，將最小的主應(yīng)變方向 作為激光脈沖掃描方向；
[0038] 步驟2 :建立以深度方向固有應(yīng)變分布為變形來源的工件彎曲變形有限元模型， 固有應(yīng)變方向?yàn)樗鲋鲬?yīng)變方向，通過固有應(yīng)變場優(yōu)化，得到工件不同位置沿深度方向固 有應(yīng)變分布；
[0039] 根據(jù)有限元仿真，沿深度方向的固有應(yīng)變分布滿足分布函數(shù)〃：
[0040] e*=a*EXP(-((x_b)/c) 2) (1)
[0041] 其中x為工件厚度方向位置，上表面x= 0 ;
[0042] 所述工件彎曲變形有限元模型，為根據(jù)壁板厚度建立相應(yīng)的分層殼單元，定義壁 板材料屬性中的各向異性熱膨脹系數(shù)a和單元溫度場，在溫度場AT下相應(yīng)的固有應(yīng)變e 為e=aAT，從而非彈性變形轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變問題。
[0043] a(x,y,z) =e*(x,y,z) (2)
[0044] T(x,y,z) = 1 (3)
[0045] 所述固有應(yīng)變場優(yōu)化，在于建立以曲面主曲率方向?yàn)橹鲬?yīng)變方向的工件彎曲變形 有限元模型，以公式（1)中系數(shù)a，b，c為設(shè)計(jì)變量，在不超過殘余壓應(yīng)力的允許范圍或滿足 特殊形狀需要的條件下，以曲面位移差值平方和最小或應(yīng)變能最小為目標(biāo)的仿真優(yōu)化，獲 得深度方向固有應(yīng)變分布；
[0046] 步驟3 :根據(jù)不同激光噴丸成形工藝參數(shù)下的固有應(yīng)變響應(yīng)面模型以及所述工件 不同位置深度方向的固有應(yīng)變，進(jìn)行激光噴丸成形工藝參數(shù)優(yōu)化，得到與工件表面不同固 有應(yīng)變場相對應(yīng)的最佳激光噴丸成形工