韓志仁，周叔陽，劉寶明，高鐵軍

(沈陽航空航天大學a.航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室b.航空航天工程學部(院)，沈陽 110136)

航空宇航工程

基于ANSYS的蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化技術研究

韓志仁a,b，周叔陽b，劉寶明a，高鐵軍b

(沈陽航空航天大學a.航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室b.航空航天工程學部(院)，沈陽 110136)

拉形機鉗口軌跡是決定飛機蒙皮拉形質量優(yōu)劣的關鍵因素之一。蒙皮拉形前，在有限元仿真軟件上對拉形過程進行模擬仿真是必不可少的步驟，所以，簡化仿真過程中的參數設置、快速調整與優(yōu)化軌跡參數顯得尤為重要。結合ANSYS有限元仿真軟件，用參數化腳本語言Tcl/Tk對其進行二次開發(fā)，建立了蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統的ANSYS模塊。實驗表明模塊為蒙皮拉形鉗口軌跡快速調整與優(yōu)化縮短了模擬仿真的時間，并為實際生產提供依據，降低了產品研制成本，提高了飛機蒙皮拉伸成形質量和生產效率。

二次開發(fā)；飛機蒙皮；加載軌跡；軌跡優(yōu)化

蒙皮是構成飛機氣動外形的主要零件,其成形質量的優(yōu)劣直接影響飛機的氣動性能和使用壽命[1-2]。在飛機蒙皮制造中，拉伸成形技術作為飛機鈑金的一種基本成形方法應用十分廣泛[3-4]。在飛機蒙皮拉形工藝中，有許多因素影響蒙皮的成形質量，如材料、熱處理和拉形工藝參數等，而拉形機鉗口的軌跡參數對蒙皮成形質量的影響最大，最難控制[5]。拉形機鉗口軌跡是指針對具體的拉形專用設備夾鉗和工作臺隨時間變化的空間運動軌跡，拉形機鉗口直接帶動著蒙皮的拉伸與變形，所以運動軌跡是否合理直接影響著蒙皮的變形過程和變形結果，決定著蒙皮件的成形質量[6-7]。隨著計算機CAE技術的發(fā)展，飛機蒙皮拉形工藝前，先在計算機有限元仿真軟件上對其拉形過程進行模擬仿真成為必不可少的步驟，也為實際生產中各種參數的設定提供了依據[8-9]。然而，在用仿真軟件進行模擬仿真時，有很多仿真參數需要手動設置，如：單元類型、實常數、各模型材料屬性和網格劃分等，這些參數在每次仿真前都要手動設置，耗時費力；在鉗口軌跡優(yōu)化方面，雖然有不少學者提出了優(yōu)化方案與算法[10-11]，但都是針對普遍情況而言，若遇到實際與理論不相符的情況時，則無法快速地對鉗口軌跡進行調整與優(yōu)化并查看仿真結果，影響工作效率。因此，急需建立一套蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統，結合ANSYS等有限元仿真軟件，實現快速進行鉗口軌跡優(yōu)化、參數設置和得到仿真結果的功能。本文以ANSYS有限元仿真軟件的蒙皮拉形仿真過程為基礎，對蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統的ANSYS模塊開發(fā)進行研究[12-13]，設計ANSYS模塊交互式界面，設置仿真流程，并進行實例驗證。

1 鉗口軌跡的確定方法

蒙皮拉形的加載方式主要有3種：持續(xù)拉伸、包覆-拉伸、拉伸-包覆-拉伸[14]，以某單凸雙曲度蒙皮持續(xù)拉伸為例，研究蒙皮拉形時的鉗口軌跡確定方法、優(yōu)化過程和仿真流程。

1.1 鉗口軌跡截面線的確定方法

圖1 模具截面線的分步貼合

圖2 鉗口軌跡坐標計算示意圖

(1)導料輥未與板料接觸

L3=0；L2+L4=L0×(1+k×δ)-L3-L1

(2)導料輥與板料接觸

L3=θ2×R；L2=L0×(1+k×δ)-L3-L4-L1

公式中：θ1-板料與垂線夾角，板料與模具截面線相切，根據模具截面線切線的方向可得到θ1的大小；θ2-板料與導料輥包覆角；θ3-夾鉗內邊緣和導料輥間板料與水平線夾角，導料輥與板料接觸時為固定值；L0-板料初始長度；L1-板料與模具包覆弧長，可根據公式得到；L2-板料在模具截面線和導料輥間的切線長；L3-板料與導料輥包覆弧長；L4-夾鉗內邊緣和導料輥間板料長度，導料輥與板料接觸時為固定值；k-拉形進行的步驟數；δ-板料延伸率除以整個拉形過程的步數n，即拉形中每步的延伸率。

由以上公式可看出，只要板料與模具截面線貼合部分的長度和位置可知，即L1和θ1可知，L2、L3、L4的長度及位置關系均可根據公式求得。所以，拉形中的每一步的夾鉗在此截面下的位置坐標也可計算得出。

1.2 鉗口軌跡多截面坐標的擬合

上面求出了拉形中每一步的鉗口在某一截面下的坐標值，但蒙皮拉形是一個復雜的三維變形過程，僅依據某一截面的鉗口軌跡坐標顯然與實際不符。所以考慮計算5個截面的鉗口軌跡坐標值，分別是垂直于拉形方向的模具中點、模具兩邊緣和距兩邊緣1/4處，如圖3所示。拉形第k步時，通過計算可得到5個截面的鉗口軌跡坐標點，將這5個坐標點坐標由二維變換到三維，再用空間最小二乘法，可將這5個坐標點擬合成一條空間直線，該直線所在空間位置即是鉗口位置。

圖3 模具的5個截面

1.3 鉗口控制參數

求出鉗口位置后，需要將復雜的三維鉗口位置轉化成簡單的參數控制。假設鉗口沿長度方向無明顯形狀變化，考慮采用質心控制。設鉗口沿長度方向為X軸，假設鉗口無X方向位移且無繞X軸的旋轉，則質心控制參數共有4個，Y、Z方向位移和繞Y、Z軸的旋轉。通過計算得到參數后，將參數寫入Excel文件，輸入ANSYS進行仿真。

2 鉗口軌跡的調整與優(yōu)化

用ANSYS軟件對蒙皮拉形過程進行有限元仿真，得到仿真結果后提取蒙皮的塑性應變圖，觀察塑性應變的均勻性，分析蒙皮板料的延伸率是否在控制范圍內。如圖4所示，若蒙皮上某塊區(qū)域延伸率過大(超過4%)，不符合要求，需要調整軌跡參數。首先返回軌跡計算部分，確定該區(qū)域的變形與中間截面第k步至第k+m步的軌跡坐標有關；然后適當調小這幾步的延伸率δ，再重新計算軌跡截面線，生成新的軌跡參數；最后將軌跡參數輸入ANSYS軟件進行仿真，檢查調整后的塑性應變圖是否符合控制要求。

圖4 ANSYS仿真結果

整個鉗口軌跡的調整與優(yōu)化過程包括軌跡生成涉及大量公式和計算，通過CATIA和編程實現計算過程能有效節(jié)省優(yōu)化時間，提高優(yōu)化效率。所以，蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統是以CATIA軟件和ANSYS軟件為平臺，在CATIA軟件中對拉形過程進行幾何仿真，實現鉗口軌跡的快速優(yōu)化計算，在ANSYS軟件中進行有限元仿真，查看仿真結果。圖5為該系統的優(yōu)化流程，首先在CATIA軟件中設計拉形模具、鉗口、導料輥和蒙皮毛坯等數模；然后生成初始幾何仿真鉗口軌跡，將軌跡參數寫入文件連同設計的各個數模一起導入到ANSYS軟件；在ANSYS軟件中設置參數后進行仿真計算；計算完成后在ANSYS/LS-DYNA進行后處理分析，查看仿真結果，如果仿真結果不符合要求，再在CATIA中根據上述方法調整軌跡坐標，生成新的軌跡參數后再導入ANSYS軟件進行仿真直至結果符合要求；最后通過ANSYS軟件直接輸出可被拉形機識別的運動參數。

圖5 蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統優(yōu)化流程

3 蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統ANSYS模塊的開發(fā)

3.1 模塊功能需求

從CATIA模塊得到生成的數模和軌跡參數后，在ANSYS軟件中根據數模和軌跡參數對蒙皮拉形仿真過程進行參數設置，為了簡化參數設置操作，優(yōu)化系統的ANSYS模塊具體功能需求如下：

(1)建立前處理對話框，在該對話框內用戶可以導入板料、模具和夾鉗數模，設置蒙皮板料材料參數，各模型的網格劃分方法與尺寸等；

(2)建立中間處理對話框，在該對話框內用戶可以定義接觸，導入軌跡參數文件等；

(3)設置其他仿真參數，包括：單元類型、實常數、模具和夾鉗材料等，一般情況下，這些參數保持不變，所以這些參數的設置操作集成于模塊程序內部，不需要用戶設置；

(4)用戶設置完成后，程序提取用戶輸入的參數數據，生成ANSYS軟件識別的參數化命令流，輸入ANSYS軟件后完成仿真參數的設置并開始計算結果。

3.2 模塊功能實現

該模塊的功能結構如圖6所示。具體功能模塊包括導入模型、設置參數和導入軌跡參數文件，設置參數模塊下又包括單元類型、實常數、模具、夾鉗材料、蒙皮材料、網格尺寸、網格劃分方法和定義接觸7個子模塊，其中單元類型、實常數和模具與夾鉗材料3個模塊為程序自動設置，無需讀取用戶操作數據；蒙皮材料、網格尺寸、網格劃分方法和定義接觸4個模塊為用戶設置，程序讀取數據；以上每個模塊最終均會生成參數化命令流，程序進行順序整理后輸入ANSYS軟件即可完成整個仿真參數的設置。

圖6 模塊功能結構圖

該模塊在ANSYS軟件中有專用的功能菜單和對話框，與ANSYS軟件自身風格相符。用戶通過手動導入模型，設置蒙皮板料的材料，輸入各模型的網格尺寸、劃分方法，定義接觸，導入軌跡參數文件等操作，程序便可完成參數設置并開始計算求解。此過程無需用戶進行繁雜的操作，即可在ANSYS軟件中快速地對蒙皮拉形過程進行模擬仿真。

4 應用實例

以某航空制造公司某型號飛機蒙皮的拉形仿真過程為例，對該ANSYS模塊進行驗證。

首先在蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統的CATIA模塊中設計好模具、板料和夾鉗等數模，生成鉗口軌跡參數文件；然后打開ANSYS軟件，在軟件界面左下角出現該模塊的菜單界面，如圖7所示；雙擊菜單上的“導入模型”項，出現名為“飛機蒙皮拉形模擬仿真模塊”的交互式對話框，在對話框中選擇要導入的模型文件、設置板料的材料屬性、填寫各模型劃分網格的方法及尺寸、定義接觸和導入軌跡參數文件，點擊“確定”后，整個拉形仿真參數設置完成并開始計算，計算完成后在ANSYS/LS-DYNA中查看仿真結果。

應用蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統生成優(yōu)化后的鉗口軌跡，將該軌跡輸入拉形機進行蒙皮拉形實驗。實驗前在蒙皮板料有可能產生最大變形的區(qū)域畫上線段，實驗后測量其延伸率并與仿真結果對比。圖8為最大變形區(qū)域處一點的應變，實驗后測得其延伸率為3%，與仿真結果很接近，并且小于工藝要求的4%，符合要求。實驗后的零件如圖9所示，板料未出現拉裂和起皺現象，也未出現滑移線和橘皮，貼模良好，卸載后通過檢驗模胎檢測板料的貼模度，符合實際拉形工藝的要求。

圖7 仿真結果

圖8 最大變形區(qū)域處的應變圖

圖9 軌跡優(yōu)化后的實驗件圖

5 結論

本文在研究一套蒙皮拉形鉗口軌跡優(yōu)化系統的基礎上，對鉗口軌跡的優(yōu)化方法進行了分析，對該系統的優(yōu)化過程進行了論述，并基于ANSYS軟件開發(fā)了該優(yōu)化系統的ANSYS模塊。經實例驗證，該ANSYS模塊運行穩(wěn)定、可靠，結果與手動操作一致，簡化了模擬仿真時的參數設置過程，為蒙皮拉形鉗口軌跡的優(yōu)化節(jié)省了時間，提高了工作效率；同時該模塊也可單獨使用，適用于已有鉗口軌跡參數的蒙皮拉形模擬仿真。

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(責任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Research on loading trajectory optimization technology in stretch forming for aircraft skin based on ANSYS

HAN Zhi-rena,b,ZHOU Shu-yangb,LIU Bao-minga，GAO Tie-junb

(a.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process,b.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110036,China)

Loading trajectory of stretch forming machine is one of the key factors which decide the quality of aircraft skin stretch forming.Simulation of the stretch forming process is an essential step using finite element simulation software before actual production.So,it is significant to simplify parameter setting of stretch forming and rapidly adjust and optimize loading trajectory parameters during the simulation.Combining with ANSYS software,the ANSYS module of loading trajectory optimization system during stretch wrap forming process for aircraft skin was constructed by the TCLTK scripting language.Experimental results show that this module reduced time of the simulation process for stretch forming of aircraft skin.It will provide a support for actual production and reduce the cost of product development while improving the quality and efficiency of stretch forming for aircraft skin.

secondary development;aircraft skin;loading trajectory;trajectory optimization

2016-10-10

國家自然科學基金(項目編號：51575364)

韓志仁(1964-)，男，河北唐山人，教授，博士，主要研究方向：數字化制造和鈑金成形CAE，E-mail:hanren888@163.com。

2095-1248(2017)01-0015-05

TG386

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.01.002