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基于接触约束边界条件的加工变形预测方法

计算机仿真 2018年第10期35卷 250-255页

作者：周文兵张以都吴琼高瀚君北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

有限元仿真被广泛应用于航空薄壁结构件加工变形的预测分析,针对现有3-2-1约束原则建立仿真边界条件时存在众多的问题,提出了接触单元约束边界条件法(接触边界法)。基于接触边界法建立有限元预测模型,并引入实测初始残余应力对工件加工... 详细信息

有限元仿真被广泛应用于航空薄壁结构件加工变形的预测分析,针对现有3-2-1约束原则建立仿真边界条件时存在众多的问题,提出了接触单元约束边界条件法(接触边界法)。基于接触边界法建立有限元预测模型,并引入实测初始残余应力对工件加工变形进行了仿真预测。为验证接触边界法的准确性,选取工件展开了铣削加工及变形测量实验,结果表明仿真与实验变形在变化趋势及变形值上均具有很好的一致性,从而验证了接触边界法的可靠性。利用接触边界法建立的有限元模型对加工后的工件残余应力场进行预测,结果表明:通过变形和残余应力重分布会使加工后工件内部残余应力场达到新的平衡;对于薄壁结构件,材料大量去除后,残余应力值明显减小。

关键词：初始残余应力边界条件有限元预测模型加工变形预测

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纯铜薄壁平面构件车削加工变形预测研究

纯铜薄壁平面构件车削加工变形预测研究

作者：齐书韬大连理工大学

学位级别：硕士

纯铜薄壁平面构件是精密物理实验所需的重要实验样件,不仅需要较高的表面质量,还需要极高的尺寸精度,然而由于其径厚比大,刚性差,极易受到残余应力等因素的影响而产生加工变形,难以保证加工精度。因此,本文以纯铜薄壁平面构件为研究对象... 详细信息

纯铜薄壁平面构件是精密物理实验所需的重要实验样件,不仅需要较高的表面质量,还需要极高的尺寸精度,然而由于其径厚比大,刚性差,极易受到残余应力等因素的影响而产生加工变形,难以保证加工精度。因此,本文以纯铜薄壁平面构件为研究对象,通过有限元建模结合试验测试等方法,开展对其加工变形的预测研究,其中分别建立了加工残余应力的预测模型以及综合考虑多种因素作用的加工变形预测模型,并以此探究了加工残余应力以及加工变形的演化规律,为改进纯铜薄壁平面构件的加工工艺提供了理论参考,具体的研究内容如下:（1）采用有限元软件Advant Edge建立了纯铜三维车削仿真模型,对纯铜车削加工残余应力进行预测,并通过X射线衍射法结合电解剥层开展应力测试,对模型进行了验证。在此基础上,采用模型探究了不同切削参数下加工残余应力的演化规律。（2）以映射法为基础,综合考虑初始残余应力和加工残余应力的作用,并考虑平面构件翻面加工过程中的应力释放,建立了基于应力传递的加工变形预测模型。其中为实现非均匀初始残余应力场的构建,采用基于形函数插值的映射算法实现了不同网格有限元模型下的应力数据传递。此外,考虑平面构件恒转速端面车削过程中切削速度的连续变化,基于二维线性插值算法实现了工件表面非均匀加工残余应力场的构建。最后,通过开展超精密车削加工及面形测量实验对模型进行了验证。（3）基于建立的加工变形预测模型探究了纯铜薄壁平面构件加工变形的演化规律,其中分别就初始残余应力和加工残余应力单独作用下的工件变形进行了分析。结果表明,翻面加工较单面连续加工更易控制初始残余应力作用下的变形,减小进给量更有利于加工残余应力作用下的变形控制,此外还发现初始残余应力对工件加工变形的影响占主导作用,为控制工件加工变形,应着重改善工件的初始应力状态。（4）采用Matlab GUIDE开发工具并结合基于Python的Abaqus二次开发建立了薄壁平面构件加工变形预测软件。该软件主要用于实现参数化建模及单因素和多因素耦合作用下的加工变形仿真,应用结果表明,其能够实现给定参数下加工变形的预测及分析。

关键词：纯铜残余应力薄壁平面构件加工变形预测

钛合金宽弦空心风扇叶片进排气边加工变形预测

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航空制造技术 2017年第19期60卷 86-91页

作者：江志伟赵正彩傅玉灿徐九华李志强丁悦南京航空航天大学机电学院南京210016 中国航空制造技术研究院北京100024

针对残余应力和铣削载荷引起的钛合金宽弦空心风扇叶片铣削加工变形问题,提出了一种空心风扇叶片加工变形预测方法。通过正交试验得出铣削力经验公式,采用两种不同的走刀方式,结合"生死单元"技术实现叶片进排气边加工仿真;运用BP神经网... 详细信息

针对残余应力和铣削载荷引起的钛合金宽弦空心风扇叶片铣削加工变形问题,提出了一种空心风扇叶片加工变形预测方法。通过正交试验得出铣削力经验公式,采用两种不同的走刀方式,结合"生死单元"技术实现叶片进排气边加工仿真;运用BP神经网络算法建立钛合金宽弦空心风扇叶片加工变形预报模型。通过分析不同走刀方式的加工变形量得出:环切铣削方式对于加工变形的影响大于行切铣削方式。变形预报结果与实际测量值相对误差在10%以内,变形预报相比有限元计算周期短,预测效率高。

关键词：加工变形预测薄壁空心结构残余应力神经网络

基于残余应力重分布的导轨梁加工变形仿真与变形控制工艺方案研究

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航空制造技术 2023年第13期66卷 102-112页

作者：刘雪丽王宇航李超然李彩红张晟玮孙剑飞中国航发航空科技股份有限公司成都610503 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京航空航天大学江西研究院景德镇分院景德镇333000

为解决大型薄壁铸件导轨梁在材料去除过程中因残余应力的释放与重分布导致变形超差的工艺难题,对导轨梁零件加工工艺进行分析,实现零件模型的简化与子结构分割;同时开展零件毛坯表面残余应力测量,成功建立零件毛坯初始应力模型。在此基... 详细信息

为解决大型薄壁铸件导轨梁在材料去除过程中因残余应力的释放与重分布导致变形超差的工艺难题,对导轨梁零件加工工艺进行分析,实现零件模型的简化与子结构分割;同时开展零件毛坯表面残余应力测量,成功建立零件毛坯初始应力模型。在此基础上结合实际加工工艺开展零件加工有限元仿真,模拟加工过程中由于材料去除引起的残余应力释放,预测了加工过程中残余应力重分布规律和加工变形情况。总结了零件加工变形的有限元仿真结果,提出抑制零件加工变形的工艺方案。经验证,改进后的工艺顺序使零件最大变形量由0.485 mm降至0.081 mm,降低83.3%,避免了零件在加工过程中的尺寸超差。同时该平面作为后续加工的基准,保证了后续加工的精度,为生产工艺优化提供了有效的理论依据。

关键词：导轨梁残余应力有限元仿真加工变形预测工艺优化

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大型薄壁机匣件辅助支撑方式优化

制造技术与机床 2016年第1期 39-42页

作者：郑耀辉王江涛王明海李晓鹏王奔沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室辽宁沈阳110136 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

针对大型薄壁复杂结构整体机匣件加工变形大,影响发动机装配精度、维修性能和使役性的突出问题,采用ABAQUS软件有限元仿真计算及其二次开发技术,提出一种以连续多个静态隐式分析步仿真计算代替动态显式仿真的方法,实现了整体机匣件加工... 详细信息

针对大型薄壁复杂结构整体机匣件加工变形大,影响发动机装配精度、维修性能和使役性的突出问题,采用ABAQUS软件有限元仿真计算及其二次开发技术,提出一种以连续多个静态隐式分析步仿真计算代替动态显式仿真的方法,实现了整体机匣件加工变形的有限元快速仿真预测;基于加工变形预测结果,对辅助支撑元件数量、支撑位置和支撑元件结构等因素进行优化设计,有效地减小了大型薄壁复杂结构机匣件的加工变形,完善了该类工件的小变形加工技术。

关键词：加工变形预测整体机匣辅助支撑方式优化有限元快速仿真

基于BP和GA的叶片加工切削用量优化选择方法

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基于BP和GA的叶片加工切削用量优化选择方法

作者：董雪娇西安工业大学

学位级别：硕士

航空发动机叶片属于典型的自由曲面薄壁件,它是航空发动机的关键部件之一。叶片在数控铣削过程中易产生变形,很难保证加工精度和加工质量。针对叶片的加工研究其切削参数的优化选择,对于提高叶片的加工质量和精度、降低成本、提高机床... 详细信息

航空发动机叶片属于典型的自由曲面薄壁件,它是航空发动机的关键部件之一。叶片在数控铣削过程中易产生变形,很难保证加工精度和加工质量。针对叶片的加工研究其切削参数的优化选择,对于提高叶片的加工质量和精度、降低成本、提高机床等设备的利用率有着十分重要的意义。为了从本质上把握航空发动机叶片的加工规律和机理,寻求最优的切削参数,本文通过计算机模拟仿真与工艺试验结合的方法,获取叶片的铣削加工变形规律,建立变形量与切削参数之间的函数关系。以最小的加工变形等为目标,建立切削参数优化模型,最终研制开发一种叶片铣削加工切削参数优化的方案,为指导实际生产提供一种合理的、快速的切削参数选择方式。本课题研究的主要内容：（1）基于金属切削理论,以球头铣刀螺旋铣削的加工过程为研究对象,建立铝合金叶片铣削模型,利用ABAQUS非线性有限元分析软件,进行模拟航空发动机叶片的铣削加工,分析铣削过程中叶片加工变形的变化规律,并通过实际加工验证该模型的合理性和有效性。（2）将叶片铣削时不同的切削参数输入到所建立的铣削模型中,得到不同的变形量。利用人工神经网络算法自动总结铣削仿真中切削参数和变形量之间的变化规律,把复杂的因果关系进行适当的训练,建立输入量与输出量之间的关系,也就是切削参数与变形量之间的关系,建立一个叶片铣削加工变形预测模型。（3）确定切削参数优化的设计变量、目标函数以及约束条件,并构建铝合金叶片的切削参数优化模型,利用遗传算法对切削参数进行优化。并利用ABAQUS非线性有限元分析软件和实际加工验证优化后的切削参数能达到提高加工精度、降低成本和提高生产效率等的目的。

关键词：叶片 BP神经网络加工变形预测遗传算法切削参数优化

基于变形控制的薄壁件铣削加工参数优化及仿真研究

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基于变形控制的薄壁件铣削加工参数优化及仿真研究

作者：李目南京航空航天大学

学位级别：硕士

薄壁件切削容易产生变形,难以保证加工精度。围绕低刚度零件,研究切削参数优化,对于提高加工精度、降低生产成本和提高设备利用率等具有重要意义。运用现代切削理论、有限元仿真技术、数学建模与优化分析方法寻求切削参数的最优组合,是... 详细信息

薄壁件切削容易产生变形,难以保证加工精度。围绕低刚度零件,研究切削参数优化,对于提高加工精度、降低生产成本和提高设备利用率等具有重要意义。运用现代切削理论、有限元仿真技术、数学建模与优化分析方法寻求切削参数的最优组合,是现代机械加工工艺的一个重要方向。本文以金属切削理论和计算机仿真技术为基础,研究了铝合金的铣削加工过程,设计了基于人工神经网络的加工变形预测模型,并基于遗传算法实现了多目标下的切削优化模型的求解,最后完成了数控铣削参数优化系统的开发,主要研究工作如下: 1.基于热-机耦合弹塑性力学基本理论,应用ABAQUS有限元仿真软件创建了薄壁件铣削加工过程的三维有限元模型,分析了薄壁件铣削加工过程中的加工变形,并通过试验验证了该模型的正确性。 2.为了建立切削参数与加工变形之间的关系,在有限元预测加工变形的基础上,研究了人工神经网络方法,将有限元仿真数据输入BP神经网络进行训练,确定了多切削参数下BP网络加工变形预测模型。 3.为了获得不同目标下的最佳铣削加工切削参数,建立了切削参数优化模型,应用遗传算法对切削参数进行了优化,通过有限元法仿真与经验参数的对比,发现采用优化参数可以获得更好的加工精度、更低的成本和更高的加工效率。 4.在上述研究的基础上,以VC++6.0为开发平台,借助SQL Server 2000数据库,开发了薄壁件数控铣削加工参数优化系统,该系统实现了基础数据管理、加工变形预测以及切削参数优化等功能。

关键词：有限元人工神经网络加工变形预测遗传算法切削参数优化

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传动箱异面孔系加工工艺提升研究

传动箱异面孔系加工工艺提升研究

作者：吴昊内蒙古科技大学

学位级别：硕士

传动箱是典型的薄壁壳体类零件,具有结构紧凑、成本低等优良特性,但其结构上壁厚薄且相对刚度低、加工工艺性差,加之为实现轻量化等目的,采用铝合金材料进行加工制造,其孔系加工过程中易发生振动和变形,研究传动箱孔系铣削、镗削加工技... 详细信息

传动箱是典型的薄壁壳体类零件,具有结构紧凑、成本低等优良特性,但其结构上壁厚薄且相对刚度低、加工工艺性差,加之为实现轻量化等目的,采用铝合金材料进行加工制造,其孔系加工过程中易发生振动和变形,研究传动箱孔系铣削、镗削加工技术具有重要的理论意义与工程实用价值。论文根据研究的应用背景,针对传动箱孔系加工过程中出现的主要技术问题,基于铣削和镗削加工技术,围绕孔系加工稳定性分析、加工变形预测和工艺参数优化等问题,对传动箱异面孔系加工技术进行系统深入的研究。通过对孔系加工过程的分析,考虑再生颤振对加工稳定性的影响,建立传动箱铣削和镗削动力学模型,采用零阶单频法对铣削和镗削的稳定性边界进行求解,得到稳定性叶瓣图,并通过试验验证了叶瓣图的正确性。对不同加工参数下的稳定性规律进行了研究,得出在铣削加工过程中减小加工系统的单边径向切深、增大加工系统的阻尼比、增大加工系统刚度可以明显提升稳定区域,提高系统的固有频率会提高系统从稳定区域进入不稳定区域的转速,从而有效抑制颤振,同时,采用逆铣的稳定效果大大好于顺铣;在镗削加工过程中提高系统的固有频率会提高系统从稳定区域进入不稳定区域的转速,增大加工系统的阻尼比、刚度,可以明显提升稳定区域,实现了通过工艺参数的调控,来达到避免颤振的目的。以传动箱孔系加工为研究对象,阐述了传动箱孔系加工预测的有限元模拟流程,利用ABAQUS有限元分析软件,开展了传动箱孔系加工过程仿真及工艺参数优化研究,通过有限元仿真对传动箱孔系加工的变形量进行预测,并通过正交试验,确定出各个工艺参数对加工变形影响的主次关系为径向切深大于进给速度和刀具转速,并确定了试验范围内各工艺参数的最优组合。利用稳定性叶瓣图确定合适的切削参数范围,通过加工过程仿真和正交试验确定工艺参数的最优组合,进行加工变形监测实验并与仿真值进行对比,对传动箱孔系加工进行应用验证,从而实现传动箱孔系的高精度加工。

关键词：孔系颤振叶瓣图加工变形预测工艺参数优化

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基于数字孪生的薄壁件铣削加工变形控制研究

基于数字孪生的薄壁件铣削加工变形控制研究

作者：张俊涛哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

薄壁零件结构紧凑、整体质量轻,在航空航天、汽车、船舶制造等领域得到广泛应用。由于薄壁件加工去除率高,使加工后零件的刚度降低,导致加工精度降低及加工质量难以保证。随着物联网、人工智能和数字孪生等新一代技术与制造业的交融与... 详细信息

薄壁零件结构紧凑、整体质量轻,在航空航天、汽车、船舶制造等领域得到广泛应用。由于薄壁件加工去除率高,使加工后零件的刚度降低,导致加工精度降低及加工质量难以保证。随着物联网、人工智能和数字孪生等新一代技术与制造业的交融与落地应用。构建一个快速仿真、精准高效预测与控制薄壁件加工变形的孪生平台,以提高薄壁件的加工精度。具体研究内容如下:（1）构建孪生系统的整体方案,通过对整体方案研究并分析了虚拟仿真、通讯、薄壁件加工变形预测与控制和服务与应用的五大功能。利用UG画出机床模型,通过3Ds Max对模型进行渲染,再导入到Unity 3D中,建立虚拟机床加工场景。对此系统进行模块化设计和开发,搭建薄壁件加工过程孪生系统。（2）利用有限元仿真技术,在ABAQUS仿真软件中建立钛合金铣削加工有限元模型。对材料的参数、失效准则及刀具-工件摩擦模型进行设置,通过模拟铣削加工过程,得出铣削力、加工变形量数据。经实验验证,得到仿真结果与实验结果的一致性,从而把仿真得到的动态加工变形数据,作为钛合金薄壁件加工变形预测模型的数据支撑来源。（3）针对薄壁件的加工过程,对加工数据进行分类及建立监测数据的获取框架。利用卷积神经网络和门控循环单元方法训练拟合薄壁件加工变形模型,构建孪生数据加工变形预测框架,通过采集数据与加工变形量数值的实时映射。将薄壁件加工变形量预测结果与实际变形量要求进行对比,通过对主轴转速和进给倍率进行调整,从而实现对薄壁件加工变形量的优化。（4）根据薄壁件加工变形预测与控制孪生系统的功能,创建服务器和客户端。通过OPC和API8070协议完成物理机床和虚拟机床之间的通讯关系,且满足实时数据的传输要求。对孪生系统进行离线和在线测试,系统预测薄壁件加工变形与仿真和实验数据进行对比,验证了此孪生系统的可行性和准确性。根据薄壁件加工变形预测结果,调整薄壁件加工过程中的主轴转速和进给倍率,降低了薄壁件切入和切出阶段的变形量。

关键词：薄壁件 Unity3D引擎数字孪生加工变形预测参数优化