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航空整体结构件加工变形预测及装夹布局优化

路冬  
【摘要】: 整体结构件因其具有重量轻、结构效率高、装配工作量小、可靠性高等显著优点,被广泛应用于航空航天领域。但航空整体结构件大都具有尺寸大、结构复杂、加工周期长等特点,加工过程中因各因素综合作用,加工结束后往往产生弯曲、扭曲或弯扭组合等变形,加工精度难以达到设计要求。引起航空整体结构件变形的因素包括整体结构件的材料属性及结构特征、毛坯初始残余应力、切削力、切削热、夹紧力等。其中夹紧力是影响航空整体结构件变形的重要因素之一,尤其对弱刚度结构件,夹紧力引起的变形更是不容忽视。本文针对航空框类整体结构件的数控加工变形问题,采用理论分析、有限元建模和实验研究相结合的方法,建立了综合考虑毛坯初始残余应力、装夹应力、铣削机械应力及铣削热应力等复杂耦合关系的航空整体结构件变形预测模型。通过模拟夹紧力的施加与释放过程,预测航空整体结构件的变形与应力分布特点。结合提出的遗传算法与有限元法相结合的夹紧点位置及夹紧点数目递推优化方法,优化装夹布局。通过从局部切削仿真到考虑多因素综合影响的整体变形预测以及装夹布局优化的系统研究,为航空整体结构件的加工变形预测、控制和工艺参数优化提供了理论依据。 建立了铝合金7050-T7451三维铣削有限元分析模型,获得了单齿顺铣铣削力变化曲线。结果表明,从刀具切入到切出过程中,随切入材料厚度变化,模拟获得的三个方向铣削力先快速增大,达到最大值后缓慢减小,最后快速减小,但达到最大值的时间不同,模拟获得的铣削力变化趋势与实验获得的变化趋势相同。研究了铣削加工过程中的温度、等效应力、等效应变及等效应变率分布规律。铣削最高温度出现在前刀面与切屑接触区。切屑与工件上的温度分布规律为:切屑的温度较高,工件的温度相对较低,这主要是由于高速加工中切削热大部分被切屑带走,只有少部分传入刀具和工件。最大等效应力、最大应变率均发生在第一变形区,这是因为切削过程中第一变形区产生极大的变形。材料应变在第一变形区产生,当形成切屑时达到最大值。模拟切屑形成过程,获得刀具由切入到切出过程中不同时刻切屑形态,模拟得到的切屑形态与相同加工参数下实际铣削加工得到的切屑形态相似。模拟获得的铣削力与实验值较为一致,由此验证了有限元模型的正确性。获得的瞬态铣削力及铣削温度数据可作为初始条件施加到后续整体结构件的变形预测模型中,可大大减少实验量。 建立了基于系统刚度变化的工件变形控制模型。系统刚度模型中同时考虑工件刚度、夹具元件刚度及夹具元件与工件间的接触刚度。定义工件—夹具系统约束条件,给出了装夹稳定性的判断准则,预测了加工过程中定位元件与工件间的接触力,预测的法向接触力与实验值比较,误差在15%以内,验证了模型的正确性。分析了随系统刚度变化定位元件与工件间接触力变化规律,给出了不同刚度条件下最小稳定夹紧力计算方法。预测了随系统刚度变化工件变形规律。在保证装夹稳定前提下,通过调整工艺参数实现了对工件变形的控制。 建立了航空框类整体结构件模态分析模型,通过对航空框类整体结构件加工过程中的振型分析知:当框类整体结构件壁较薄时,以沿壁厚方向的振动为主,振型为正弦波形,表明壁厚方向是框类整体结构件刚度最弱的方向。随着框类整体结构件壁厚的减小,各阶固有频率均减小。分析了不同装夹方式下框类整体结构件前10阶固有频率及振型。结果表明:采用增加工件侧壁顶面夹紧的方式可以增加工件动刚度,且主振型振幅的一致性比没有增加工件侧壁顶面夹紧时主振型振幅的一致性好。设计了框类整体结构件模态实验,并将模拟获得的前6阶固有频率与实验值比较,误差在6%以内,验证了模型的正确性。对于加工去除量大、刚性小、薄壁的整体结构件,可预测随材料去除系统动态特性变化,及时调整切削参数或装夹方式,以避免共振。 建立了综合考虑毛坯初始残余应力、装夹应力、铣削机械应力及铣削热应力复杂耦合关系模型。将框类整体结构件材料模型、毛坯初始残余应力及夹紧力作为初始条件、三维铣削模拟获得的瞬态铣削力及铣削温度作为动态载荷,施加到多应力耦合模型中。动态铣削力及铣削温度按刀具的运动轨迹施加到对应单元节点上,模拟真实的铣削过程,获得加工过程中工件变形及应力分布。模拟了夹具释放过程,获得了夹具释放后框类整体结构件的变形规律。设计了铣削实验,通过将框类整体结构件加工过程中模拟获得的任意两点应变值与对应点的实验值比较,及将模拟获得的框类整体结构件的最终变形与实验获得的最终变形比较,模拟误差皆在16%以内,验证了有限元模型的正确性。为以减小加工变形为目标的装夹布局优化提供依据。 提出了航空整体结构件最优夹紧点位置及最少夹紧点数目的确定方法。以加工过程中航空框类整体结构件的最大变形最小为目标函数,采用遗传算法和有限元法相结合的优化方法,建立了航空框类整体结构件夹紧点位置及夹紧点数目递推优化模型。以两个航空框类整体结构件为例对其装夹布局进行优化,通过比较采用优化后的装夹布局与现场中凭经验确定的装夹布局下加工过程中加工点的最大位移,验证了优化模型的有效性。


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