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虚拟加工过程建模及加速分析技术研究

刘远祥  
【摘要】:虚拟加工过程(VMP——Virtual Machining Process)是在对产品几何参数、材料物理性能、切削参数及加工的物理过程进行全面建模的基础上,利用数值仿真技术,在计算机内对加工过程的虚拟实现,主要用于分析真实加工环境中各因素对加工过程的影响,预测加工结果,评估零件的可加工性,优选加工方案,优化工艺参数,是一种直观、经济、高效的技术途径。 论文以易变形薄壁零件的数控立铣加工过程作为主要对象,系统地分析了虚拟加工中涉及的技术方法,针对目前数控仿真研究中普遍采用的几何模型不适用于虚拟加工过程、还没有适用于易变形工件切削过程的力学模型、工件受力变形分析所采用的有限元方法效率太低等主要问题,进行了深入研究。 首先,从虚拟加工过程的技术需求分析出发,论文提出了一个虚拟加工平台的体系结构;围绕实现工件受力变形快速模拟和分析这一目标,分析了系统各组件间的相互关系,以及实现这些组件所需的技术,为关键技术研究工作和软件开发提供总体框架。这些关键技术可以归类为虚拟加工过程建模技术和工件变形的快速分析技术。 虚拟加工过程建模技术是分析切削过程中工件的受力变形的基础。论文研究的建模技术主要包括:能够满足虚拟加工过程需求的工件模型:用于确定工件变形边界条件的装夹模型和用于描述易变形工件在加工过程中刀具运动、实际切削量、切削力分布以及工件变形量等之间相互关系的挠性工件切削过程力学模型。 此外,论文研究了立铣加工中常见的薄壁类型和相应的受力变形解析(或解析与数值相结合)算法,在此基础上构建了基本薄壁元素及其变形算法库,可以为基本薄壁元素变形快速估算提供算法支持;为减小局部快速分析可能带来的误差,提出了对关键点变形量进行有限元和实验校核以获得可靠的校正系数的方法。 论文中提出的最小壁厚法、关键点法和预置区域法等技术手段,可用于在虚拟加工过程中识别工件变形的敏感区域;并结合构建的基本薄壁元素与变形算法库,将变形量快速估算与重点位置的少量有限元精确分析相结合,构成虚拟加工过程高效分析流程,在保证精度的基础上显著提高分析效率。 论文最后利用研究成果开发了原型系统BaseVMP,并通过一个典型薄壁零件加工过程进行了实验验证,结果显示可以利用虚拟加工技术优化切削参数,缩短加工工时。


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