基于ANSYS的某航空零件的有限元分析

摘 要：某航空零件為環(huán)型薄壁結(jié)構(gòu)，在較大銑削力和夾緊力的作用下，容易發(fā)生彈性變形。結(jié)合工廠工況，采用有限元分析方法，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出銑削力和夾緊力的大小并運(yùn)用ANSYS軟件，定量分析出工件彈性變形對(duì)加工精度的影響。同時(shí)為后續(xù)分析影響航空零件加工精度的主要因素提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：彈性變形；有限元；ANSYS

中圖分類號(hào)：TD50

某航空零件為燃?xì)鈾C(jī)燃燒室單元體的主要部分，主要整流燃燒室出口溫度達(dá)到1288攝氏度。該零件為Ni-Co耐高溫合金其主要加工工序?yàn)榇笮』《魏蛢蓚?cè)邊的上下槽，且最小加工尺寸精度為±0.12mm。由于航空零件為環(huán)型薄壁結(jié)構(gòu)，在受到較大銑削力和夾緊力的作用下容易發(fā)生彈性變形，從而影響零件的加工精度。目前針對(duì)工件彈性變形主要是在殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，大致分為機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法[1]。而國(guó)內(nèi)外針對(duì)這方面主要采用低熔點(diǎn)合金支持法、應(yīng)力分析控制法[2]等。結(jié)合工廠的實(shí)際情況，采用有限元分析方法，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出工件所受銑削力和夾緊力的大小并運(yùn)用ANSYS軟件，定量分析出工件彈性變形對(duì)加工精度的影響。同時(shí)為后續(xù)分析影響航空零件加工精度的主要因素提供理論依據(jù)。

1 銑削力和夾緊力的計(jì)算

在銑削零件時(shí)，所采用的銑刀為立式銑刀，工件在加工中主要受到垂直銑削分力Fv的作用。通過(guò)查《實(shí)用銑工手冊(cè)》[3]，得到主銑削力Fz的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

結(jié)合實(shí)際加工，粗銑內(nèi)外型面的主要切削參數(shù)分別為：主軸轉(zhuǎn)速n=219r/min，進(jìn)給速度Vf=126mm/min，切削深度ap=0.5mm。由于工件材料為高溫合金鋼，刀具材料為M42，由《實(shí)用銑工手冊(cè)》查得各參數(shù)依次為：Cpz=68；t=0.5mm；Sz=0.05mm/z；B=46.99mm；Z=5；D=24mm；K=1.1；K1=1。將上述參數(shù)代入上式（1）得到主銑削力Fz為686N。

通過(guò)查手冊(cè)中的各銑削力的經(jīng)驗(yàn)比值表，選取Fv/Fz為0.8，則Fv=0.8×686=548.8N。

設(shè)工件受壓板夾緊力為Fp，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取夾緊力為銑削力的5-10倍，本文取為8，F(xiàn)p=8×548.8=4390.4N。在實(shí)際裝夾中受四塊壓板的作用，平均每塊壓板對(duì)工件施加的夾緊力Fp’= =1097.6N。綜上所述垂直銑削分力Fv為548.8N，每塊壓板對(duì)工件的夾緊力Fp’為1097.6N。

2 工件的有限元分析

有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限單元，并在每個(gè)單元中設(shè)定有限節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作只在節(jié)點(diǎn)處連續(xù)的一組單元的集合體；同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)而運(yùn)用力學(xué)的某些變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元法方程，利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定插值函數(shù)來(lái)確定單元以上以至整個(gè)集合體上的場(chǎng)函數(shù)[4]。近年來(lái)，有限元法已成為解決各種問(wèn)題的強(qiáng)有力的工具，常用分析軟件有NASA、ASKA和ANSYS軟件等。

由于該零件相對(duì)于毛坯的原始尺寸而言，內(nèi)外型面的銑削余量較大，因此進(jìn)行有限元分析時(shí)，只需分析銑削內(nèi)外型面所產(chǎn)生的彈性變形，圖1為工件彈性變形的分析流程圖。

2.1 幾何模型的建立

2.2 材料模型的選取

工件材料的變形為完全彈性變形且各向同性。單元類型選用Solid/Brick 8node 45，密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3。

2.3 網(wǎng)格劃分

2.4 添加約束

根據(jù)工件的實(shí)際裝夾，為了使銑削工件的內(nèi)外型面和槽的尺寸滿足加工精度要求，必須保證工件在銑削時(shí)不發(fā)生沿X、Y、Z軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)合實(shí)際加工情況，工件與銑床工作臺(tái)是面接觸，且工件底面為全約束。

2.5 加載

通過(guò)計(jì)算得到垂直銑削分力Fv為548.8N，平均每塊壓板的夾緊力Fp’為1097.6N，力的加載方式選用在模型節(jié)點(diǎn)上加集中載荷。由于工件關(guān)于y軸對(duì)稱，因此分析工件受銑削力和夾緊力的情況，只需選取五個(gè)位置：大小弧段及直側(cè)邊的中間位置和連接大小弧段與直側(cè)邊的兩圓弧段。

3 結(jié)果分析

由于對(duì)零件進(jìn)行有限元分析屬于基本的結(jié)構(gòu)靜力分析，所選用的求解器可采用系統(tǒng)默認(rèn)的直接解法，并在求解模塊（solution）中進(jìn)行運(yùn)算。完成計(jì)算以后，可通過(guò)ANSYS的后處理模塊來(lái)查看計(jì)算結(jié)果。由于工件彈性變形對(duì)加工精度的影響主要體現(xiàn)在加工尺寸上，因此在后處理結(jié)果中，主要查看節(jié)點(diǎn)位移量。在銑削力和夾緊力的作用下，其X、Y方向的節(jié)點(diǎn)最大位移量。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）利用ANSYS軟件對(duì)航空零件進(jìn)行有限元分析，得到X方向和Y方向節(jié)點(diǎn)的最大位移分別為-0.73515E-7mm和0.68164E-7mm。由于零件最小加工尺寸精度為±0.12mm，因此工件的彈性變形對(duì)零件加工精度的影響較小，可忽略掉。

（2）定量分析出工件彈性變形對(duì)加工精度的影響，為后續(xù)分析影響航空加工精度的主要因素提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余偉.基于殘余應(yīng)力的航空薄壁件加工變形分析[D].南京航空航天大學(xué)，2004.

[2]王衛(wèi)鋒，韓大建，羅文結(jié).一種新的殘余應(yīng)力測(cè)試方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（03）：368-372.

[3]沈海珊.實(shí)用銑工手冊(cè)[M].上海：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1982：38-41.

[4]李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]閆伍平，黃成.UG NX8.0技術(shù)大全（中文版）[M].北京：人民郵電出版社，2013：104-367.

作者簡(jiǎn)介：袁琪（1981-），女，湖北武漢人，碩士，教師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

作者單位：湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北孝感 432000

基金項(xiàng)目：本文為湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)立項(xiàng)課題《某環(huán)型零件加工精度及其關(guān)鍵技術(shù)的研究》階段性研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：2013 A05）。