梁鋮,黎向鋒,吳同一,齊增星,李文生,張文靜,楊斌,趙彥偉

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016;2. 天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300;3. 航天精工股份有限公司,天津 300300)

0 引言

自鎖螺母因具有可靠的抗振防松、可重復(fù)使用功能[1],在飛機(jī)構(gòu)件連接裝配中得到了廣泛應(yīng)用。這種螺母制備流程中的收口工序旨在使其產(chǎn)生塑性變形,進(jìn)而在連接中產(chǎn)生對(duì)螺桿的鎖緊力矩以有效防止螺紋連接的松動(dòng)與松脫。其收口工藝參數(shù)包括收口模具形態(tài)、收口區(qū)域面積、收口量及收口速度等。上述參數(shù)的變動(dòng)對(duì)其鎖緊性能存在至關(guān)重要的影響,而鎖緊性能的好壞又關(guān)系到整體產(chǎn)品的可靠性與壽命[2]。但目前針對(duì)收口螺母三點(diǎn)式收口過程中工藝參數(shù)研究極其匱乏。因此,對(duì)某航天企業(yè)鈦合金TC4三點(diǎn)收口過程工藝參數(shù)的有限元仿真研究具有重要的實(shí)用價(jià)值[3-6]。

ABAQUS是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀有限元仿真軟件之一,已在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[7]。相較于其他仿真軟件,ABAQUS在非線性分析方面具有較強(qiáng)的計(jì)算能力,并且提供了基于Python語言的接口,用戶通過編寫腳本接口語言能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)處理模塊的參數(shù)化開發(fā)。張曉冬等[8]基于Python語言編寫腳本插件和采用ABAQUS GUIToolkit語言制作圖形用戶界面,對(duì)管件中頻熱彎數(shù)值模擬過程進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了熱彎模擬的快速建模分析和自動(dòng)后處理功能,加快了總體分析進(jìn)度,提高了工作效率。TANG[9]對(duì)帶式傳輸機(jī)關(guān)鍵部件彎輥受力狀況進(jìn)行了仿真模擬,使用Python完成了ABAQUS的二次開發(fā),得到了彎輥應(yīng)力分布與變形狀況,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)建模、網(wǎng)格劃分、指定材料等前處理過程,避免了繁瑣的手動(dòng)操作,顯著提高了彎輥設(shè)計(jì)優(yōu)化過程的效率。

基于此,本文采用ABAQUS有限元軟件,參考以往的仿真與二次開發(fā)經(jīng)驗(yàn),建立鈦合金TC4自鎖螺母收口過程仿真模型,并對(duì)其前處理模塊進(jìn)行二次開發(fā),以簡(jiǎn)化多次前處理所需的繁瑣操作,從而成為收口工藝參數(shù)仿真優(yōu)化強(qiáng)有力的支撐。

1 自鎖螺母收口仿真模型建立

1.1 幾何模型及裝配體的建立

本模型主要模擬鈦合金自鎖螺母收口變形過程,為了簡(jiǎn)化模型、縮短計(jì)算時(shí)間,對(duì)收口螺母和收口模具作出如下幾何簡(jiǎn)化:收口模具只對(duì)其頭部關(guān)鍵部分進(jìn)行建模,收口螺母(圖1(a))只建模受擠壓變形的六邊形部位。模型通過ABAQUS軟件中的部件模塊與裝配模塊建立,收口過程簡(jiǎn)化后的裝配模型如圖1(b)所示。考慮到實(shí)際收口過程采用三點(diǎn)式收口方式,設(shè)置各收口模具的初始位置相隔120°,從而使模型更符合實(shí)際的收口過程,由此完成初始工序條件的設(shè)置。

圖1 自鎖螺母實(shí)物及簡(jiǎn)化后的裝配模型

1.2 材料屬性

鈦合金具有強(qiáng)度高、抗蝕性好、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn);以TC4鈦合金為材料的自鎖螺母已得到航天企業(yè)的廣泛使用。為了提高材料參數(shù)與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度,本文對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn),獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,TC4力學(xué)性能如表1所示。

表1 TC4鈦合金力學(xué)性能

圖2 TC4鈦合金拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖

1.3 求解方法及網(wǎng)格劃分

自鎖螺母因包含內(nèi)螺紋呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀,其整體為復(fù)雜的幾何模型,因此將自鎖螺母模型網(wǎng)格劃分為四面體網(wǎng)格,確定為10結(jié)點(diǎn)修正2次四面體單元C3D10M。對(duì)螺母與收口模具接觸區(qū)域及內(nèi)螺紋區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,全局尺寸0.2,局部尺寸采用0.12,從而提高該區(qū)域的精確性;收口模具因呈現(xiàn)為較為復(fù)雜的不規(guī)則形狀,對(duì)其采用自由網(wǎng)格劃分方式,將其分割為多個(gè)部分,各部分采用與收口螺母相同的四面體網(wǎng)格單元C3D10M,全局尺寸設(shè)為0.3。模型網(wǎng)絡(luò)劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.4 相互作用及邊界條件

仿真中主要關(guān)注的對(duì)象為自鎖螺母內(nèi)螺紋區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變狀況,因此將3點(diǎn)方向的收口模具設(shè)置為剛體。根據(jù)收口過程的約束,在邊界條件設(shè)置中限制自鎖螺母平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。同時(shí),為方便調(diào)整收口模具的進(jìn)給方向,在自鎖螺母中心建立圓柱坐標(biāo)系,并設(shè)置3個(gè)收口模具加載方向?yàn)樽枣i螺母徑向方向,加載速度設(shè)為-0.4mm/s,其余方向的運(yùn)動(dòng)自由度均約束為0。

在收口模具與自鎖螺母的接觸設(shè)置中,設(shè)置二者接觸形式為表面接觸。考慮收口模具網(wǎng)格較粗糙,并且接觸面為剛性面,因而將其設(shè)置為主接觸面;自鎖螺母對(duì)應(yīng)的接觸表面設(shè)置為從接觸面,將接觸屬性的切向行為定義為無摩擦,法向行為定義為硬接觸,完成工件和模具相互作用和邊界條件的定義。

2 自鎖螺母收口仿真模型二次開發(fā)

2.1 ABAQUS腳本接口及插件開發(fā)介紹

ABAQUS軟件為用戶的二次開發(fā)提供了兩種接口,一種是用Fortran語言進(jìn)行用戶子程序接口;另一種是基于Python語言ABAQUS的腳本接口,其能夠擴(kuò)充Python的對(duì)象以及對(duì)應(yīng)的屬性和方法,并且Python的腳本接口文件可直接向ABAQUS內(nèi)核發(fā)送命令,完成指定操作。后者在開發(fā)中主要用于如快速建模、參數(shù)修改等前處理以及如訪問和輸出結(jié)果數(shù)據(jù)庫的后處理等操作[10]。

ABAQUS插件程序主要由接口文件和圖形用戶界面(GUI)文件組成,其中接口文件為Python語言編寫的腳本文件,GUI文件為ABAQUS內(nèi)置的RSG插件編寫生成的文件,能夠在框架內(nèi)設(shè)置圖片、文本框等多項(xiàng)功能并實(shí)現(xiàn)可視化操作,在其內(nèi)核標(biāo)簽頁中可選擇對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù),來完成函數(shù)調(diào)用和參數(shù)傳遞[11]。圖4為基于ABAQUS仿真流程的GUI界面與Kernel內(nèi)核交互流程。

圖4 基于ABAQUS仿真流程的GUI界面與Kernel內(nèi)核交互流程

2.2 自鎖螺母收口仿真模型的參數(shù)化

工藝參數(shù)仿真過程中,需多次建立模型并嘗試不同的模型幾何參數(shù),從收口模具形態(tài)方面改善自鎖螺母內(nèi)螺紋區(qū)域的應(yīng)力分布情況。因此,仿真過程涉及變量眾多而繁雜,在調(diào)整過程中易出現(xiàn)紕漏,造成仿真的失準(zhǔn)。因此,將涉及模型的多個(gè)變量參數(shù)化,采用自動(dòng)化建模具有更大優(yōu)勢(shì)。表2為模型建立階段相關(guān)參數(shù)的物理意義及在程序中的變量名,其在幾何模型中的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

表2 模型參數(shù)物理意義及變量名

圖5 模型參數(shù)幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系

建立模型的部分源代碼如下:

自鎖螺母厚度:

p. BaseSolidExtrude(sketch=s,depth=locknut. thickness)

收口模具斜度、高度與寬度:

delta=crimpingdie. width*math. tan(float(crimpingdie. dip)/180*math. pi)s1. Line(point1=((crimpingdie. width/2),(crimpingdie. height/2)),point2=((crimpingdie. width/2),crimpingdie. height/2-delta))

s1. Line(point1=((crimpingdie. width/2),(crimpingdie. height/2)),point2=((crimpingdie. width/2),crimpingdie. height/2-delta))

收口模具厚度:

p. BaseSolidExtrude(sketch=s1,depth=crimpingdie. depth)

2.3 裝配過程參數(shù)化

目前的收口過程中對(duì)自鎖螺母應(yīng)力-應(yīng)變分布狀況產(chǎn)生重要影響的不僅包含螺母、螺紋和收口模具的多個(gè)幾何參數(shù),同時(shí)也與收口過程中的收口區(qū)域高度、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)密不可分,其參數(shù)的物理含義及變量名如表3所示。

表3 裝配參數(shù)化中參數(shù)物理意義與變量名

考慮在初始狀態(tài)定義的過程中,對(duì)應(yīng)的距離無法直接用參數(shù)表示,裝配中將收口模具下端面與螺母上端面對(duì)齊,再計(jì)算出其豎直方向偏移量。

δ=-(H-h)

(1)

式中:H為螺母厚度;h為收口區(qū)域高度。

2.4 前處理圖形用戶交互界面

本系統(tǒng)采用RSG構(gòu)造器來制作圖形用戶交互界面,將變量與圖形界面中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。為便于直觀顯示和理解,給各個(gè)模塊添加了相應(yīng)的圖片以標(biāo)識(shí)各變量物理意義,從而使整體更加形象易用,參數(shù)化設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 參數(shù)化前處理GUI界面

3 結(jié)果與驗(yàn)證

根據(jù)本文開發(fā)的插件所建立的模型,得到TC4螺母收口工進(jìn)階段最終的應(yīng)力-應(yīng)變分布,從其結(jié)果中能夠分析出:自鎖螺母的內(nèi)螺紋區(qū)域與收口模具接觸區(qū)域應(yīng)力明顯大于其他區(qū)域,并且內(nèi)螺紋區(qū)域中內(nèi)螺紋牙頂應(yīng)力-應(yīng)變較大,出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,符合實(shí)際收口過程真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變分布狀況。

3.1 不同收口量仿真與實(shí)驗(yàn)探究

為探究工藝參數(shù)對(duì)自鎖螺母收口過程的影響規(guī)律,針對(duì)不同的收口量與收口點(diǎn)高度,進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)如圖7、圖8所示。針對(duì)不同收口量,測(cè)得工退階段結(jié)束后的實(shí)際自鎖螺母圖中突出區(qū)域的最大徑向變形量,與仿真結(jié)果的對(duì)比如表4所示。

表4 不同收口量下實(shí)驗(yàn)與仿真變形量結(jié)果對(duì)比

圖7 不同收口量仿真結(jié)果

圖8 不同收口點(diǎn)高度仿真結(jié)果

從上述結(jié)果能夠分析出,模型與實(shí)際之間的誤差合理,隨收口量的增加,收口區(qū)域和內(nèi)螺紋區(qū)域的應(yīng)變顯著增加,變形量明顯提升,在生產(chǎn)過程中,合理增加收口量,能夠提高螺母變形程度,從而增大后續(xù)的鎖緊力矩,提升產(chǎn)品的性能。

3.2 不同收口點(diǎn)高度仿真與實(shí)驗(yàn)探究

從圖8中可明顯看出,隨收口點(diǎn)高度的增加,深色應(yīng)力較大的區(qū)域面積不斷提升,其產(chǎn)生的變形也隨之增加。因此在生產(chǎn)過程中,適當(dāng)增大收口點(diǎn)高度,能夠明顯提高自鎖螺母產(chǎn)品的變形程度。

3.3 實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果

在收口裝置(圖9(a))上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,將經(jīng)仿真模擬后的優(yōu)化工藝參數(shù)用于自鎖螺母的實(shí)際收口過程;圖9(b)為3點(diǎn)處的收口模具,圖9(c)為收口完成后的自鎖螺母,收口過的螺母內(nèi)螺紋區(qū)域未出現(xiàn)裂紋。

圖9 鎖緊螺母收口裝置與鎖緊螺母

4 結(jié)語

1)本文基于ABAQUS有限元仿真軟件,利用前處理模塊建立了鈦合金TC4自鎖螺母與收口模具模型。對(duì)鈦合金材料TC4進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn),獲取了其力學(xué)性能參數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并完成了有限元模型的建立。

2)基于建立的有限元仿真模型,采用Python語言與ABAQUS腳本接口對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā),編寫了自鎖螺母建立、收口模具參數(shù)化模型與各項(xiàng)工藝參數(shù)設(shè)置的內(nèi)核腳本程序,使用RSG插件建立了簡(jiǎn)潔方便的圖形用戶界面,增強(qiáng)了程序與操作人員的交互性,極大地縮短了建立調(diào)整模型所需的時(shí)間,方便相關(guān)人員的操作,提高了整體仿真效率。

3)基于參數(shù)化前處理模塊,合理設(shè)置各項(xiàng)工藝參數(shù),仿真得到了最終工進(jìn)狀態(tài)下的TC4螺母內(nèi)螺紋區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變分布狀況,并將上述設(shè)置的工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際的自鎖螺母收口過程,得到增加收口量和收口點(diǎn)高度能夠提升自鎖螺母變形程度,從而提高鎖緊性能的結(jié)論。