大尺寸带台阶薄壁件的滚弯‑铣削过程的有限元仿真方法与流程

本发明涉及机械加工及成形仿真领域，尤其涉及大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法。

背景技术：

为了满足安全、经济、舒适、环保的综合要求，新型商用飞机在机体材料和结构的选择上，一方面选用铝合金、铝锂合金等密度小、比强度高的轻质材料，另一方面大量采用多台阶薄壁结构，如机头、中后机身蒙皮等，通过对蒙皮壁板局部减薄，形成多台阶薄壁结构，可使蒙皮壁板重量减轻40％以上。其中，单曲率带台阶薄壁结构是飞机蒙皮壁板的典型轻质结构形式，通过滚弯成形单曲率大尺寸板材，并进行铣削加工得到单曲率带台阶薄壁结构件。

滚弯是利用两至四根同步旋转的辊轴，使板材产生连续塑性弯曲并通过控制辊轴间距实现零件所需曲率的成形方法，在飞机钣金件制造中得到了广泛的应用。飞机生产中，滚弯工艺主要用于成形机身、机翼蒙皮，油箱外蒙皮等单曲率零件，成形后一般要经过化学铣削或者机械铣削除去多余材料达到结构需求和减重目的。蒙皮结构件是构成飞机气动外形的重要零件，承担承受和传递载荷的作用，因而形状精度要求很高。但在滚弯过程中，板材最终的曲率受到材料自身性能、摩擦、回弹等多因素的影响，尺寸精确控制比较困难，特别是大尺寸零件的滚弯过程中，其回弹现象更为严重。同时在化学铣切或机械铣削过程中由于铣切形状、深度等因素的影响会造成进一步的回弹变形，进一步增加了零件制造精度控制的难度，对零件的尺寸精度和生产效率造成极大的影响。

在实际生产中，一般通过后期校形或者多次滚弯等手段对回弹进行控制或者消除。然而，这些操作会导致材料性能的降低，因而精确控制蒙皮滚弯-铣削过程的回弹对当前飞机大尺寸蒙皮结构件成形具有重要意义。采用传统的“试错法”实现蒙皮滚弯-铣削回弹的控制需要大量的验证试验，同时精度也难以保障。而利用有限元仿真研究弯曲成形可以较全面的分析滚弯过程各因素对加工精度的影响，但是有限元仿真技术在滚弯和铣削过程的集成仿真上的应用和研究还处于空白。为此，亟需一种适用于大尺寸带台阶薄壁件滚弯-铣削全过程的有限元仿真方法，来为带台阶薄壁件的设计制造，例如飞机蒙皮件的设计制造，提供仿真分析和理论研究的有效手段，从而精确控制大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程，对加工过程中的回弹进行控制或者消除，以避免目前通常采用的后期校形或者多次滚弯等手段所导致的材料性能的降低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中通过后期校形或者多次滚弯等手段对大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程中的回弹进行控制，会导致薄壁件的材料性能降低的缺陷，提出一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，其特点在于，所述有限元仿真方法包括以下步骤：

步骤一、建立板料的滚弯模型，所述板料为弹塑性体，并采用线性减缩积分壳单元进行网格划分，所述滚弯模型用于模拟板料的滚弯过程，所述滚弯过程包括板料的弯曲、滚弯和回弹；

步骤二、基于所述滚弯模型模拟所述滚弯过程后的结果，通过子模型技术模拟切边过程，其中切边过程去除板料的边缘平直部分而保留中间的均匀变形区域，然后根据所述大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟所述大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；

步骤三、基于步骤二模拟铣削过程得到的工件，进行回弹过程的模拟，回弹过程的模拟包括关闭真空吸附系统，使铣削得到的工件在真空平台上处于无约束自由变形状态，在所述工件的底面选择板料的中心处呈十字形的五个点，约束所述五个点的位移和转动以进行板料铣削后的回弹计算，其中对所述五个点的约束条件为，中心点被完全固定，而其他四个点则被约束为最大限度减少对回弹变形的影响。

较佳地，对所述五个点中除中心点外的其他四个点的约束条件为：

相对中心点以第一轴向分布的两点，其第二轴向的平移自由度以及绕第一轴向及绕第三轴向的旋转自由度受到约束；

相对中心点以第二轴向分布的两点，其第一轴向的平移自由度以及绕第二轴向及绕第三轴向的旋转自由度受到约束；

其中第一轴向、第二轴向、第三轴向相互垂直，且第二轴向为板料滚弯的方向。

较佳地，步骤一中，采用离散刚体建模一个上滚筒、两个下滚筒作为与板料发生接触及挤压的部件，并按照大尺寸带台阶薄壁件的滚弯成形过程控制滚筒的运动，模拟滚弯过程。

较佳地，所述滚弯过程的模拟包括以下三个分析步：

第一步，所述上滚筒下压以使得板料弯曲，通过调整上滚筒的下压量实现对滚弯过程的弯曲半径的控制；

第二步，所述上滚筒保持下压状态不变并自转，通过与板料的摩擦接触实现板料的滚弯，所述下滚筒随动，使得板料由一侧边缘开始滚弯，滚弯到另一侧边缘后所述上滚筒反转，回到下压状态的起始位置停止；

第三步，滚弯终止，所述上滚筒抬升，板料发生回弹。

较佳地，步骤一中，开启沙漏刚度增强控制以避免所述滚弯过程中板料出现沙漏。

较佳地，所述有限元仿真方法采用ABAQUS软件实施。

较佳地，步骤一中的计算采用显式算法Explicit进行计算。

较佳地，步骤三中采用静力隐式算法模拟回弹过程。

较佳地，所述大尺寸带台阶薄壁件为单曲率带台阶薄壁件。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，能够精确控制大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程，能够控制甚至消除加工过程中的回弹，避免了目前通常采用的后期校形或者多次滚弯等手段所导致的材料性能降低的缺陷。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法的流程图；

图2是本发明一较佳实施例的有限元仿真方法中板料的滚弯模型的初始状态的示意图；

图3是在有限元仿真中可能出现的沙漏问题的示意图；

图4是本发明一较佳实施例的有限元仿真方法中，板料铣削、切边后的零件示意图；

图5是本发明一较佳实施例的有限元仿真方法中，铣削后回弹的五点约束的示意图；

具体实施方式

下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。

在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

参考图1所示，本发明一较佳实施例的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、建立板料的滚弯模型，所述板料为弹塑性体，并采用线性减缩积分壳单元进行网格划分，所述滚弯模型用于模拟板料的滚弯过程，所述滚弯过程包括板料的弯曲、滚弯和回弹；

步骤二、基于所述滚弯模型模拟所述滚弯过程后的结果，通过子模型技术模拟切边过程，其中切边过程去除板料的边缘平直部分而保留中间的均匀变形区域，然后根据所述大尺寸带台阶薄壁件的零件结构分割出板料的待铣削区域，并修改板料的不同区域的壳单元的厚度值，以模拟所述大尺寸带台阶薄壁件的铣削过程；

步骤三、基于步骤二模拟铣削过程得到的工件，进行回弹过程的模拟，回弹过程的模拟包括关闭真空吸附系统，使铣削得到的工件在真空平台上处于无约束自由变形状态，在所述工件的底面选择板料的中心处呈十字形的五个点，约束所述五个点的位移和转动以进行板料铣削后的回弹计算，其中对所述五个点的约束条件为，中心点被完全固定，而其他四个点则被约束为最大限度减少对回弹变形的影响。

应当理解的是，步骤一中涉及的板料的回弹和步骤三中涉及的回弹是零件在滚弯-铣削过程的加工过程中先后发生的不同的回弹。前一次为滚弯过程中的回弹，后一次则是通常由于铣削、铣切过程中受到铣切深度、形状等因素影响造成的进一步回弹。

对于零件加工过程的有限元仿真的准确性与有限元模型的建立和边界条件的确立有着直接的关系，但本领域技术人员应当理解，边界条件一般都可由有限元仿真试图模拟的零件加工过程的具体加工要求、零件尺寸等确定，在此不做赘述。对于本发明涉及的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程，滚弯和铣削是成形过程的两个重要工序，所以滚弯模型和铣削模型是本发明技术方案中的重要组成部分，这两个模型的建立以及所进行的相关模拟、运算大体上可对应于本发明的步骤一和步骤二。以下将更详细地举例说明本发明的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法。

在本发明的较佳实施例中，上述步骤一具体可包括如下过程。举例来说，参考图2所示，可根据三轴板材辊弯机的结构及尺寸，建立模型，模型中具有三个滚筒以作为与板料3发生接触及挤压的主要部件，三个滚筒采用离散刚体建模，不考虑其变形。建模中采用的参数包括上滚筒1的半径r1，两个下滚筒2的半径r2，下滚筒2的间距L。板料3建模为弹塑性体，并选用线性减缩积分壳单元S4R进行网格划分，并开启沙漏刚度增强控制，防止滚弯过程中板料出现沙漏。可能出现的沙漏缺陷参见图3所示。板料置于上下滚筒之间，按照滚弯成形的实际过程控制滚筒的运动，实现滚弯过程。

具体来说，滚弯过程可通过建立以下三个分析步来完成仿真：第一步，上滚筒1下压，使得板料3弯曲，通过调整上滚筒1的下压量H(如图2所示)可以实现对滚弯过程弯曲半径的控制；第二步，上滚筒1保持下压状态不动，上滚筒1自转，通过与板料3的摩擦接触实现板料3的滚弯，下滚筒2随动，板料3由一侧边缘开始滚弯，滚弯到另一侧边缘后上滚筒1反转，回到下压的起始位置停止；第三步，滚弯结束后，上滚筒1上升，板料3发生回弹。滚弯过程的具体计算和模拟，可采用例如ABAQUS软件的显式算法Explicit进行计算。

在本发明的较佳实施例中，采用上述步骤二完成局部子模型的切边、铣削的仿真。铣切后的壁板如图4所示，步骤二具体可包括如下过程。

在铣削仿真模型中，由于其仿真过程是基于滚弯的仿真结果，因此铣削仿真模型，只需要单独建立坯料的有限元模型。基于子模型特点以及铣削零件的结构尺寸，对坯料的尺寸重新定义，使其与切边后的零件尺寸一致；同时对板料进行分割，将需要铣削的区域分割出来，对其厚度进行重新定义，使其与坯料实际铣削后的厚度分布一致。最后，通过子模型重算技术，将滚弯模型的仿真结果在更改结构后的板料中实现子模型重算，完成滚弯仿真结果的传递，实现铣削过程的仿真。

通过上述步骤，将模拟切边后的板料的保留部分作为局部子模型，修改对应于带台阶薄壁结构的不同区域的壳单元的厚度值以模拟铣削过程，以得到模拟得到的铣削后的零件的仿真结果。

在本发明的较佳实施例中，采用上述步骤三模拟零件材料在铣削后的回弹。具体来说，基于步骤二中的铣削仿真结果，通过预定义场的方式将铣削仿真结果传递到回弹仿真模型中。由于坯料回弹过程仅涉及坯料内部应力的重新分布，因此回弹仿真模型只需建立坯料模型，基于预定义场和回弹特点，回弹仿真模型中坯料的尺寸与结构应与铣削仿真模型中的坯料尺寸一致。步骤三中的回弹过程采用静力隐式算法完成模拟。

其中卸载回弹过程中夹持位置的选取是一个关键，在实际加工中，铣削完成后关闭真空吸附系统，使工件在真空平台上处于无约束自由变形状态，此时需要将前面所有的约束取消，同时为了消除工件的刚体位移，结合回弹仿真特点，需要在工件底面选择板料中心十字形的五个点，如图5所示，约束五点的位移及转动，其中仅中心点采用完全固定约束，其他点的约束原则为，其约束最大限度减少对回弹变形的影响。例如，参考图5所示，对所述五个点的约束条件为：中心点被完全固定；相对中心点以X轴方向分布的两点，其Y轴方向的平移自由度以及绕X轴方向及绕Z轴方向的旋转自由度受到约束；相对中心点以Y轴方向分布的两点，其X轴方向的平移自由度以及绕Y轴方向及绕Z轴方向的旋转自由度受到约束；其中X轴方向、Y轴方向、Z轴方向相互垂直，且Y轴方向为板料滚弯的方向。即，中心点的X方向的两点的边界条件可为U2＝UR1＝UR3＝0，中心点的Y方向的两点的边界条件为U1＝UR2＝UR3＝0。其中，U表示平移自由度，UR表示转动自由度，1、2、3分别表示X、Y、Z轴方向。上述边界条件用于约束与板料滚弯进给方向相垂直方向的位移以及除滚轮旋转方向外其余两个方向的旋转自由度，约束五点的位移及转动，实现板料切边、铣削后的回弹。

本发明的大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的有限元仿真方法，充分利用了大尺寸带台阶薄壁件的滚弯-铣削过程的一些特性来提高有限元仿真方法的效率，同时保证其准确性

首先，以滚弯模型为例，滚弯模型的建立应比较准确的将滚弯后的残余应力和回弹移入铣削模型中，以实现材料去除后对应力释放及重新分布引起的回弹的精确描述，同时由于滚弯过程主要变形区域集中在板料中间部分，沿进料方向的前后边缘处的曲率很小，所以在完成大尺寸板材的滚弯变形后，本发明通过切边去掉边缘平直部分，保留中间均匀变形区域，并通过子模型技术实现切边过程的模拟

其次，由于铣削加工过程是一个涉及变形、断裂、动力学、非线性接触、热传导等众多复杂物理现象，同时又包含机床、刀具、夹具、工件等工艺系统诸多环节的过程，因此要建立准确的铣削加工工艺过程的仿真模型是相当困难的，通常需要在保证分析结果精度的前提下，对这些复杂的物理条件进行一定的数值简化。就本发明而言，本发明利用了，大尺寸带台阶薄壁件一般接近于单曲率带台阶薄壁件，其铣削过程中铣削量较小，铣削力较小，因此产生的铣削热较少，并且加工过程中通常都一直会用切削液冷却且冷却效果好，在本发明中忽略铣削热的影响，同时，应变速率的影响也可以忽略，因而使用弹塑性材料模型。

此外，对于体单元模型，典型的材料去除方式是单元生死技术，但是使用体单元计算滚弯模型过程中存在计算效率低和容易产生沙漏现象的缺点，因此本发明中采用壳单元进行模拟，通过修改带台阶薄壁结构不同区域壳单元的厚度值，并结合子模型重算技术完成铣削模拟。该方法在保证计算精度的同时，大大提高了计算效率，节约了计算成本。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。