大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真方法*

鄭耀輝，呂海洋，李曉鵬，王明海，王 奔

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

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大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真方法*

鄭耀輝，呂海洋，李曉鵬，王明海，王 奔

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

針對(duì)大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形有限元仿真效率低，不易實(shí)現(xiàn)全尺寸、完整結(jié)構(gòu)狀態(tài)下加工變形準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的突出問(wèn)題，基于ABAQUS軟件的有限元仿真及其二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，提出一種采用連續(xù)多個(gè)靜態(tài)隱式分析步模擬三維動(dòng)態(tài)顯式有限元仿真的方法，研究了自動(dòng)加載與卸載切削力載荷和分析及識(shí)別最大加工變形等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件完整結(jié)構(gòu)全尺寸條件下、按照復(fù)雜走刀路徑進(jìn)行切削仿真的加工變形有限元快速仿真預(yù)測(cè)，通過(guò)切削測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為該類(lèi)零件加工變形預(yù)測(cè)技術(shù)研究提供了新的技術(shù)手段。

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件；加工變形；全尺寸；有限元快速仿真計(jì)算

0 引言

航空整體結(jié)構(gòu)件一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚較小、尺寸較大、使用高溫合金和鈦合金等難加工材料[1]，所以該類(lèi)零件結(jié)構(gòu)剛性差、加工過(guò)程中變形大，不易滿(mǎn)足形位公差和尺寸公差的要求，影響飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配精度、維護(hù)性能和使用性能。因此，薄壁件的加工變形控制技術(shù)在航空制造業(yè)越來(lái)越受到重視[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)外研究薄壁件加工變形的方法主要有兩種：一種是通過(guò)對(duì)工件加工變形規(guī)律的預(yù)測(cè)[5-7]，優(yōu)化切削參數(shù)、裝夾方案、走刀方式等方法控制加工變形[8-10]；另一種是通過(guò)對(duì)加工變形進(jìn)行理論校正，改善加工質(zhì)量[11-13]。這些研究中，有限元分析逐漸成為研究加工變形問(wèn)題的有效工具。然而有限元模擬切削加工中仍然存在兩個(gè)問(wèn)題：一是對(duì)于曲面加工，其刀具軌跡往往比較復(fù)雜[14]，有限元軟件很難模擬出刀具和工件復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[15]；二是有限元分析大多數(shù)用于切削機(jī)理的分析，很難模擬出大尺寸零件的整體變形。在文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[16]的研究中，用對(duì)節(jié)點(diǎn)施加集中載荷的方法模擬刀具軌跡，但是都沒(méi)有給出該方法的技術(shù)路線(xiàn)，對(duì)于大型零件的整體變形問(wèn)題，手動(dòng)施加載荷工作量大效率低，因而并不具有代表性。

針對(duì)上述研究中的不足，論文基于ABAQUS軟件的有限元仿真及其二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，提出一種實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件不簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)(完整結(jié)構(gòu))、不進(jìn)行尺寸縮比(全尺寸)條件下加工變形的有限元快速仿真預(yù)測(cè)方法。

1 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真關(guān)鍵技術(shù)

目前，使用有限元三維動(dòng)態(tài)顯式仿真方法很難實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件全尺寸、完整結(jié)構(gòu)加工變形快速準(zhǔn)確的仿真計(jì)算。主要原因有：①有限元軟件不能按照復(fù)雜的數(shù)控加工走刀路徑進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)切削仿真；②零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則，有限元網(wǎng)格劃分后，存在微小單元，仿真過(guò)程容易產(chǎn)生多種類(lèi)型的錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響仿真的效率和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；采用質(zhì)量系數(shù)放大功能可以提高仿真效率，但會(huì)進(jìn)一步降低仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；③零件結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，網(wǎng)格單元數(shù)量多，有限元仿真效率低。鑒于上述原因，國(guó)內(nèi)外對(duì)該類(lèi)零件的加工變形有限元仿真均進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和尺寸縮比等措施，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值差別較大，有限元仿真結(jié)果對(duì)企業(yè)實(shí)際加工過(guò)程不具備良好的指導(dǎo)意義。

論文提出的大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件全尺寸、完整結(jié)構(gòu)條件下加工變形有限元快速仿真方法的技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先，基于走刀路徑模擬技術(shù)，建立走刀路徑的結(jié)點(diǎn)順序集合，為實(shí)現(xiàn)按照實(shí)際的加工路徑進(jìn)行有限元仿真提供數(shù)據(jù)支撐。其次，通過(guò)切削力自動(dòng)加載及卸載技術(shù)，在走刀路徑的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上依次施加切削力載荷，同時(shí)卸載其余結(jié)點(diǎn)上的切削力載荷。然后，采用靜態(tài)隱式分析步連續(xù)創(chuàng)建技術(shù)，以結(jié)點(diǎn)順序集合中的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為幾何對(duì)象，自動(dòng)創(chuàng)建求解過(guò)程的分析步，并進(jìn)行有限元求解計(jì)算；仿真完成一個(gè)分析步，切削力載荷移動(dòng)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)施加，循環(huán)進(jìn)行上述過(guò)程直至走刀路徑的模擬仿真計(jì)算結(jié)束。最后，應(yīng)用最大加工變形分析及識(shí)別技術(shù)，識(shí)別出最大加工變形所在的分析步和最大加工變形值。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)

1.1 復(fù)雜走刀路徑模擬技術(shù)

基于論文提出的復(fù)雜走刀路徑模擬技術(shù)，結(jié)合其它關(guān)鍵技術(shù)，可以有效解決ABAQUS軟件不能按照復(fù)雜的實(shí)際加工走刀路徑進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)有限元切削仿真的技術(shù)難題。

通過(guò)研究常用CAM軟件數(shù)控編程方法的特征可知，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的走刀路徑一般是依據(jù)該結(jié)構(gòu)件邊界輪廓或者某個(gè)截面輪廓，按照指定的方式偏置計(jì)算獲得，如圖2所示。在有限元網(wǎng)格單元模型與走刀路徑相同的截面位置，依照截面輪廓，拾取結(jié)點(diǎn)，建立結(jié)點(diǎn)順序集合，如圖3所示。該結(jié)點(diǎn)集合的軌跡是按照?qǐng)D2所示走刀路徑加工時(shí)刀具與工件的接觸軌跡，亦是切削力載荷依次連續(xù)施加的路徑。為了保證結(jié)點(diǎn)順序集合和走刀路徑的一致性，走刀路徑的軸向切削深度應(yīng)該是網(wǎng)格單元尺寸的整數(shù)倍數(shù)。把結(jié)點(diǎn)順序集合數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文本文件中，通過(guò)編程處理，提取結(jié)點(diǎn)編號(hào)，計(jì)算結(jié)點(diǎn)數(shù)量，為后續(xù)研究?jī)?nèi)容的循環(huán)操作提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 走刀路徑

圖3 模擬走刀路徑的結(jié)點(diǎn)順序集合

1.2 切削力載荷自動(dòng)加載與卸載技術(shù)

采用ABAQUS軟件的二次開(kāi)發(fā)工具Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，在結(jié)點(diǎn)順序集合的每個(gè)結(jié)點(diǎn)上依次施加切削力載荷。由于動(dòng)態(tài)切削過(guò)程的切削力載荷是瞬時(shí)作用的，所以還需要對(duì)切削力載荷自動(dòng)卸載技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前只對(duì)一個(gè)結(jié)點(diǎn)施加切削力的受力狀態(tài)。切削力載荷自動(dòng)加載和卸載功能分別使用模型對(duì)象的Concentrated Force屬性和分析步對(duì)象的deactivate屬性編程實(shí)現(xiàn)。

1.3 連續(xù)靜態(tài)隱式分析步的建立技術(shù)

有限元靜態(tài)隱式分析方法相對(duì)于動(dòng)態(tài)顯式方法，具有計(jì)算速度快，單步仿真結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到連續(xù)動(dòng)態(tài)的仿真效果，論文采用多個(gè)連續(xù)的靜態(tài)隱式分析步，對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。連續(xù)靜態(tài)隱式分析步的建立技術(shù)采用Python語(yǔ)言對(duì)ABAQUS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以結(jié)點(diǎn)順序集合中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)為幾何參考對(duì)象，建立對(duì)應(yīng)的靜態(tài)隱式分析步，該功能使用模型對(duì)象的Static Step屬性編程實(shí)現(xiàn)。在每一分析步中，使用“單元生死”技術(shù)，殺死切削過(guò)程中已經(jīng)切除的網(wǎng)格單元。如果分析步數(shù)量較多，可以設(shè)置循環(huán)步長(zhǎng)，適當(dāng)減少分析步的數(shù)量，提高仿真計(jì)算的速度。

1.4 最大加工變形分析及識(shí)別技術(shù)

由于ABAQUS軟件不具備在多個(gè)分析步中識(shí)別出最大變形位移的功能，論文通過(guò)軟件的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了所有分析步中最大加工變形的分析以及最大加工變形所在分析步的識(shí)別技術(shù)，能夠在眾多的分析步仿真結(jié)果中快速的分析和識(shí)別出最大加工變形的信息，其算法如圖4所示。

圖4 最大加工變形分析識(shí)別算法

2 加工變形有限元仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件完整結(jié)構(gòu)、全尺寸加工變形有限元快速仿真方法的準(zhǔn)確性，論文以一個(gè)鈦合金薄壁雙面接頭結(jié)構(gòu)件某一部分外緣彎邊精加工為例，進(jìn)行加工變形的有限元仿真分析以及切削、測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

零件外形尺寸為624mm×126mm×78mm，兩個(gè)加強(qiáng)筋距離為238.904mm。主要裝配部位為外緣彎邊，其壁厚2mm，輪廓公差為±0.15mm。選擇距零件頂面5mm處的某一走刀路徑進(jìn)行有限元仿真及加工變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 三維結(jié)構(gòu)模型及走刀路徑

工件材料為T(mén)C11，刀具使用直徑為16mm的硬質(zhì)合金立銑刀，切削速度為70m/min，每齒進(jìn)給量為0.05mm/每齒，工序余量為1mm。切削力載荷數(shù)據(jù)通過(guò)參考文獻(xiàn)[17]提供的鈦合金銑削力公式計(jì)算獲得，其中X方向分力為109.018N，Y方向分力為-286.415N，Z方向分力為-172.833N。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 有限元仿真實(shí)驗(yàn)

采用UG軟件進(jìn)行零件的三維結(jié)構(gòu)建模，為了提高“單元生死”技術(shù)的可操作性，精加工切除部分(厚度為1mm)通過(guò)UG軟件的曲面加厚功能單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)模型文件，如圖5所示，零件左起第3個(gè)開(kāi)放式槽的內(nèi)表面為精加工切除部分結(jié)構(gòu)模型。

零件結(jié)構(gòu)模型和精加工切除部分結(jié)構(gòu)模型文件以Step格式導(dǎo)入到ABAQUS軟件中，通過(guò)綁定約束實(shí)現(xiàn)兩部分結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行受力變形。基于論文提出的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真方法建立有限元仿真模型，仿真通過(guò)45個(gè)靜態(tài)隱式分析步模擬外緣彎邊一條精加工走刀路徑(從左向右走刀)的切削過(guò)程，仿真時(shí)間為23min。圖6所示為最大加工變形位移云圖，為了便于觀察，變形結(jié)果縮放系數(shù)設(shè)置為50倍。

圖6 最大加工變形云圖

2.2.2 輪廓誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)

采用Global eXtra型三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量外緣彎邊的內(nèi)輪廓(加工變形值最大)，與理論模型進(jìn)行比較計(jì)算，得到外緣彎邊內(nèi)表面的最大輪廓誤差，測(cè)量過(guò)程如圖7所示。

圖7 外緣彎邊輪廓誤差測(cè)量過(guò)程

最大加工變形附近區(qū)域的有限元仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與輪廓誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較如表1所示，表中數(shù)據(jù)為Y方向負(fù)向變形(誤差)值。外緣彎邊理論輪廓、有限元仿真變形后的輪廓以及測(cè)量輪廓數(shù)據(jù)如圖8所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)及測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

圖8 外緣彎邊輪廓曲線(xiàn)

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

(1)從表1可知，輪廓誤差的實(shí)際測(cè)量值小于有限元仿真結(jié)果。實(shí)際的輪廓誤差是由于工件受力變形，在加工過(guò)程中產(chǎn)生“過(guò)切加工”或“欠加工”導(dǎo)致的。由于刀具剛性較大，在加工過(guò)程中工件存在“彈讓”現(xiàn)象，并且加工完成后，工件彈性變形回復(fù)，所以過(guò)切量(欠加工量)小于有限元仿真結(jié)果得到的彈性變形值；

(2)從圖8可知，有限元仿真變形輪廓和實(shí)際測(cè)量輪廓的變化規(guī)律是一致的，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真技術(shù)的準(zhǔn)確性；

(3)模擬仿真的曲線(xiàn)走刀路徑長(zhǎng)約為233mm，仿真時(shí)間為23min，使用相同性能的高性能工作站，采用普通三維動(dòng)態(tài)顯式方法仿真20mm長(zhǎng)的直線(xiàn)走刀路徑，所需時(shí)間大于4h[11]；

(4)最大加工變形發(fā)生在第14分析步，距離左側(cè)加強(qiáng)筋70mm位置處，兩個(gè)加強(qiáng)筋中間位置(第23分析步)并不是加工變形最大位置處。

3 結(jié)論

論文提出的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元快速仿真方法為該類(lèi)零件加工變形預(yù)測(cè)和控制技術(shù)的研究提供了新的基礎(chǔ)技術(shù)手段，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1)可以顯著提高大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形有限元仿真的計(jì)算效率，為該類(lèi)零件的加工工藝設(shè)計(jì)、裝夾方案優(yōu)化和變形控制技術(shù)研究提供快速的數(shù)據(jù)支撐；

(2)可以在不進(jìn)行尺寸縮比和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的條件下，進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形的有限元準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，提高了有限元方法的工程實(shí)用性；

(3)可以按照實(shí)際的走刀路徑進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形的有限元仿真預(yù)測(cè)，仿真結(jié)果能夠反應(yīng)零件加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)變形情況，提高了有限元方法的工程適用性。

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(編輯 李秀敏)

Rapid Finite Element Simulation Method on Machining Deformation of Large Complex Structure

ZHENG Yao-hui，LV Hai-yang，LI Xiao-peng，WANG Ming-hai，WANG Ben

(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defence of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang 110136, China)

In the finite element simulation, the efficiency for the large-scale complex thin-walled structures is low, and it’s hard to achieve full-size, integral deformation prediction. Based on ABAQUS software and its secondary development technology, presents a method of using continuous multi-static implicit analysis step to replace three-dimensional explicit finite element simulation. Combined with key technology such as the automatic loading and unloading of cutting force load and the identification of maximum deformation, the method achieves a quick deformation prediction according to the cutting tool path in the condition of large-scale complex thin-walled structures. By cutting experiment to test the accuracy of the simulation, the result provides a new technical means for the machining distortion prediction of such parts.

large complex structure; machining deformation; integral structure; rapid finite element simulation

1001-2265(2017)06-0005-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.002

2016-09-07

航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2015ZE54025)；中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(cxy2014SH20)

鄭耀輝(1975—)，男，遼寧鐵嶺人，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)講師，碩士，研究方向?yàn)榫芨咝?shù)控加工、智能制造，(E-mail)zhengyh214@163.com。

TH122;TG506

A