鄭耀輝，呂海洋，李曉鵬，王明海，王 奔

(沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136)

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大型復雜結構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

(沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136)

針對大型復雜薄壁結構件加工變形有限元仿真效率低，不易實現(xiàn)全尺寸、完整結構狀態(tài)下加工變形準確預測的突出問題，基于ABAQUS軟件的有限元仿真及其二次開發(fā)技術，提出一種采用連續(xù)多個靜態(tài)隱式分析步模擬三維動態(tài)顯式有限元仿真的方法，研究了自動加載與卸載切削力載荷和分析及識別最大加工變形等關鍵技術，實現(xiàn)了大型復雜薄壁結構件完整結構全尺寸條件下、按照復雜走刀路徑進行切削仿真的加工變形有限元快速仿真預測，通過切削測量實驗，驗證了仿真結果的準確性，為該類零件加工變形預測技術研究提供了新的技術手段。

大型復雜結構件；加工變形；全尺寸；有限元快速仿真計算

0 引言

航空整體結構件一般結構復雜、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]，所以該類零件結構剛性差、加工過程中變形大，不易滿足形位公差和尺寸公差的要求，影響飛機機身、發(fā)動機的裝配精度、維護性能和使用性能。因此，薄壁件的加工變形控制技術在航空制造業(yè)越來越受到重視[2-4]。目前，國內外研究薄壁件加工變形的方法主要有兩種：一種是通過對工件加工變形規(guī)律的預測[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]；另一種是通過對加工變形進行理論校正，改善加工質量[11-13]。這些研究中，有限元分析逐漸成為研究加工變形問題的有效工具。然而有限元模擬切削加工中仍然存在兩個問題：一是對于曲面加工，其刀具軌跡往往比較復雜[14]，有限元軟件很難模擬出刀具和工件復雜的相對運動[15]；二是有限元分析大多數(shù)用于切削機理的分析，很難模擬出大尺寸零件的整體變形。在文獻[4]、文獻[7]和文獻[16]的研究中，用對節(jié)點施加集中載荷的方法模擬刀具軌跡，但是都沒有給出該方法的技術路線，對于大型零件的整體變形問題，手動施加載荷工作量大效率低，因而并不具有代表性。

針對上述研究中的不足，論文基于ABAQUS軟件的有限元仿真及其二次開發(fā)技術，提出一種實現(xiàn)大型復雜結構件不簡化零件結構(完整結構)、不進行尺寸縮比(全尺寸)條件下加工變形的有限元快速仿真預測方法。

1 大型復雜結構件加工變形有限元快速仿真關鍵技術

目前，使用有限元三維動態(tài)顯式仿真方法很難實現(xiàn)大型復雜結構件全尺寸、完整結構加工變形快速準確的仿真計算。主要原因有：①有限元軟件不能按照復雜的數(shù)控加工走刀路徑進行三維動態(tài)切削仿真；②零件結構復雜、不規(guī)則，有限元網(wǎng)格劃分后，存在微小單元，仿真過程容易產(chǎn)生多種類型的錯誤，嚴重影響仿真的效率和仿真結果的準確性；采用質量系數(shù)放大功能可以提高仿真效率，但會進一步降低仿真結果的準確性；③零件結構尺寸過大，網(wǎng)格單元數(shù)量多，有限元仿真效率低。鑒于上述原因，國內外對該類零件的加工變形有限元仿真均進行結構簡化和尺寸縮比等措施，仿真結果與實際測量值差別較大，有限元仿真結果對企業(yè)實際加工過程不具備良好的指導意義。

論文提出的大型復雜薄壁結構件全尺寸、完整結構條件下加工變形有限元快速仿真方法的技術路線如圖1所示。其實現(xiàn)過程為：首先，基于走刀路徑模擬技術，建立走刀路徑的結點順序集合，為實現(xiàn)按照實際的加工路徑進行有限元仿真提供數(shù)據(jù)支撐。其次，通過切削力自動加載及卸載技術，在走刀路徑的各個結點上依次施加切削力載荷，同時卸載其余結點上的切削力載荷。然后，采用靜態(tài)隱式分析步連續(xù)創(chuàng)建技術，以結點順序集合中的結點數(shù)據(jù)為幾何對象，自動創(chuàng)建求解過程的分析步，并進行有限元求解計算；仿真完成一個分析步，切削力載荷移動到下一個結點施加，循環(huán)進行上述過程直至走刀路徑的模擬仿真計算結束。最后，應用最大加工變形分析及識別技術，識別出最大加工變形所在的分析步和最大加工變形值。

圖1 技術路線

1.1 復雜走刀路徑模擬技術

基于論文提出的復雜走刀路徑模擬技術，結合其它關鍵技術，可以有效解決ABAQUS軟件不能按照復雜的實際加工走刀路徑進行三維動態(tài)有限元切削仿真的技術難題。

通過研究常用CAM軟件數(shù)控編程方法的特征可知，大型復雜結構件數(shù)控加工的走刀路徑一般是依據(jù)該結構件邊界輪廓或者某個截面輪廓，按照指定的方式偏置計算獲得，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，拾取結點，建立結點順序集合，如圖3所示。該結點集合的軌跡是按照圖2所示走刀路徑加工時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。為了保證結點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該是網(wǎng)格單元尺寸的整數(shù)倍數(shù)。把結點順序集合數(shù)據(jù)導出到文本文件中，通過編程處理，提取結點編號，計算結點數(shù)量，為后續(xù)研究內容的循環(huán)操作提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 走刀路徑

圖3 模擬走刀路徑的結點順序集合

1.2 切削力載荷自動加載與卸載技術

采用ABAQUS軟件的二次開發(fā)工具Python語言進行編程，在結點順序集合的每個結點上依次施加切削力載荷。由于動態(tài)切削過程的切削力載荷是瞬時作用的，所以還需要對切削力載荷自動卸載技術進行研究，通過二次開發(fā)，實現(xiàn)當前只對一個結點施加切削力的受力狀態(tài)。切削力載荷自動加載和卸載功能分別使用模型對象的Concentrated Force屬性和分析步對象的deactivate屬性編程實現(xiàn)。

1.3 連續(xù)靜態(tài)隱式分析步的建立技術

有限元靜態(tài)隱式分析方法相對于動態(tài)顯式方法，具有計算速度快，單步仿真結果精度高等優(yōu)點。為了達到連續(xù)動態(tài)的仿真效果，論文采用多個連續(xù)的靜態(tài)隱式分析步，對切削加工過程進行模擬仿真。連續(xù)靜態(tài)隱式分析步的建立技術采用Python語言對ABAQUS軟件進行二次開發(fā)，以結點順序集合中的每個結點為幾何參考對象，建立對應的靜態(tài)隱式分析步，該功能使用模型對象的Static Step屬性編程實現(xiàn)。在每一分析步中，使用“單元生死”技術，殺死切削過程中已經(jīng)切除的網(wǎng)格單元。如果分析步數(shù)量較多，可以設置循環(huán)步長，適當減少分析步的數(shù)量，提高仿真計算的速度。

1.4 最大加工變形分析及識別技術

由于ABAQUS軟件不具備在多個分析步中識別出最大變形位移的功能，論文通過軟件的二次開發(fā)技術，實現(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別技術，能夠在眾多的分析步仿真結果中快速的分析和識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別算法

2 加工變形有限元仿真實驗驗證

為了驗證提出的大型復雜結構件完整結構、全尺寸加工變形有限元快速仿真方法的準確性，論文以一個鈦合金薄壁雙面接頭結構件某一部分外緣彎邊精加工為例，進行加工變形的有限元仿真分析以及切削、測量實驗。

2.1 實驗條件

零件外形尺寸為624mm×126mm×78mm，兩個加強筋距離為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行有限元仿真及加工變形測量實驗，如圖5所示。

圖5 三維結構模型及走刀路徑

工件材料為TC11，刀具使用直徑為16mm的硬質合金立銑刀，切削速度為70m/min，每齒進給量為0.05mm/每齒，工序余量為1mm。切削力載荷數(shù)據(jù)通過參考文獻[17]提供的鈦合金銑削力公式計算獲得，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 實驗過程

2.2.1 有限元仿真實驗

采用UG軟件進行零件的三維結構建模，為了提高“單元生死”技術的可操作性，精加工切除部分(厚度為1mm)通過UG軟件的曲面加厚功能單獨創(chuàng)建一個模型文件，如圖5所示，零件左起第3個開放式槽的內表面為精加工切除部分結構模型。

零件結構模型和精加工切除部分結構模型文件以Step格式導入到ABAQUS軟件中，通過綁定約束實現(xiàn)兩部分結構同時進行受力變形?；谡撐奶岢龅拇笮蛷碗s結構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45個靜態(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)的切削過程，仿真時間為23min。圖6所示為最大加工變形位移云圖，為了便于觀察，變形結果縮放系數(shù)設置為50倍。

圖6 最大加工變形云圖

2.2.2 輪廓誤差測量實驗

采用Global eXtra型三坐標測量儀測量外緣彎邊的內輪廓(加工變形值最大)，與理論模型進行比較計算，得到外緣彎邊內表面的最大輪廓誤差，測量過程如圖7所示。

圖7 外緣彎邊輪廓誤差測量過程

最大加工變形附近區(qū)域的有限元仿真計算數(shù)據(jù)與輪廓誤差測量實驗數(shù)據(jù)的比較如表1所示，表中數(shù)據(jù)為Y方向負向變形(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量輪廓數(shù)據(jù)如圖8所示。

表1 仿真實驗及測量實驗數(shù)據(jù)比較

圖8 外緣彎邊輪廓曲線

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

(1)從表1可知，輪廓誤差的實際測量值小于有限元仿真結果。實際的輪廓誤差是由于工件受力變形，在加工過程中產(chǎn)生“過切加工”或“欠加工”導致的。由于刀具剛性較大，在加工過程中工件存在“彈讓”現(xiàn)象，并且加工完成后，工件彈性變形回復，所以過切量(欠加工量)小于有限元仿真結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際測量輪廓的變化規(guī)律是一致的，結合表1數(shù)據(jù)，可以驗證大型復雜結構件加工變形有限元快速仿真技術的準確性；

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

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

3 結論

論文提出的大型復雜結構件加工變形有限元快速仿真方法為該類零件加工變形預測和控制技術的研究提供了新的基礎技術手段，該技術具有以下特點：

(1)可以顯著提高大型復雜結構件加工變形有限元仿真的計算效率，為該類零件的加工工藝設計、裝夾方案優(yōu)化和變形控制技術研究提供快速的數(shù)據(jù)支撐；

(2)可以在不進行尺寸縮比和結構簡化的條件下，進行大型復雜結構件加工變形的有限元準確預測，提高了有限元方法的工程實用性；

(3)可以按照實際的走刀路徑進行大型復雜結構件加工變形的有限元仿真預測，仿真結果能夠反應零件加工過程的動態(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

航空科學基金項目(2015ZE54025)；中航工業(yè)產(chǎn)學研專項項目(cxy2014SH20)

鄭耀輝(1975—)，男，遼寧鐵嶺人，沈陽航空航天大學講師，碩士，研究方向為精密高效數(shù)控加工、智能制造，(E-mail)zhengyh214@163.com。

TH122;TG506

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