航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体涉及一种航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测 方法。

背景技术

航空发动机机匣、鼓筒等零件的设计结构越来越复杂、尺寸越来越大、壁厚越来越薄， 而设计精度要求却在逐渐提高，加工后产生的变形问题越显突出，对发动机的装配精度、使 用性能和可靠性影响较大。

国外航空制造发达国家都非常重视航空薄壁零件数控加工变形问题的研究。美国三波公 司依托密西根大学等若干所著名大学，共同研究和开发了能够有效抑制整体结构件数控加工 变形的工艺路线优化理论和有限元模拟软件。法国巴黎航空工业学院与国家宇航局针对航天 飞行器整体结构件设计与制造问题，建立了专门的强度实验室，深入研究加工变形的工艺控 制和安全校正等问题。NerviSebastian建立了毛坯初始残余应力引起加工变形的数学预测模 型，指出零件的最终变形情况与毛坯初始应力的分布状态，零件在毛坯中的位置和形状密切 相关。KeithA.Young采用数值模拟与化学铣削相结合的方法研究了铣削加工引入的残余应力 对加工变形的影响，指出加工引入的残余应力、变形与切削刀具的刀尖圆弧半径和切削刃钝 圆半径密切相关，同时指出，航空整体结构件的壁厚很多在2mm以内，此时铣削加工引入的 残余应力对工件加工变形的影响不可忽略。

国内对航空薄壁件的加工变形问题的研究主要集中在南京航空航天大学、西北工业大学、 浙江大学、山东大学、北京航空航天大学、航天625所和成都飞机制造公司等高校、研究所 和航空制造企业。浙江大学的董辉跃等人采用有限元模拟的方法对框类零件的装夹方案进行 了优选，研究了不同装夹位置分布、装夹顺序对残余应力、应变的影响，使残余应力的分布 有利于减少工件的变形。浙江大学的王立涛、南京航空航天大学的郭魂等人采用数值模拟的 方法研究了走刀路径对残余应力分布规律及其加工变形的影响。浙江大学的黄志刚等人在研 究了残余应力施加、动态切削载荷、约束转换等铣削加工模拟关键技术的基础上，采用热- 力耦合模型对简单的三框类零件进行了奇偶铣削、偶奇铣削和顺序铣削三种加工顺序下零件 的变形预测。北京航空航天大学王运巧、梅中义等人采用数值模拟技术分析了航空整体弧形 结构件和长梁零件的加工变形，分析过程考虑了工件初始残余应力、切削力、装夹等因素， 其分析过程没有考虑切削热和加工引入残余应力的影响。北京航空航天大学王兆俊等人基于 毛坯残余应力的释放研究了工件在铝合金毛坯板厚方向上位置的选取对加工变形的影响。

国内对航空薄壁零件加工变形及控制技术的研究主要集中于铝合金材料的大型飞机板状 类整体结构件的研究，只有哈尔滨工业大学的刘海涛等人对精密薄壁简单结构回转体零件的 残余应力及变形进行了研究，对于大型薄壁筒状复杂结构件加工变形预测及控制技术没有过 多的研究。

飞机板状类整体结构件广泛采用预拉伸板材料作为毛坯，材料内部的初始残余应力分布 具有规律性，并且残余应力值较小，所以该类零件的加工变形预测及控制相对比较容易。大 型薄壁筒状复杂结构件加工使用的毛坯多为难加工材料锻件，残余应力值较大，实测表明， 残余应力最大极限值与最小极限值之差可达1000Mpa以上(预拉伸板为200Mpa左右)，同 时分布不均匀，没有规律性，导致毛坯初始残余应力对加工变形的影响非常显著，而且不易 对加工变形进行预测和控制。

对于毛坯初始残余应力导致的航空薄壁零件加工变形，国内外普遍基于简单零件结构的 残余应力释放和重新分布的理论解析算法，采用有限元仿真分析的方法进行预测。这些方法 应用于大型薄壁筒状复杂结构件加工变形预测时存在着以下不足：(1)没有提出一种有效的 残余应力施加方法，能够便捷、高效的将大量的残余应力测量数据施加到毛坯有限元单元网 格上，影响了加工变形有限元预测的效率和准确性；(2)由于有限元软件功能的限制，不能 够严格按照工件的加工工艺逐步对初始残余应力进行释放，因而加工变形预测过程与实际加 工过程不相符；(3)没有提出一种有效的方法来准确分析残余应力释放后未去除毛坯部位残 余应力的重新分布情况，导致因该部位的残余应力释放引起的加工变形预测不准确。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方 法，揭示了非均布残余应力对大型薄壁复杂结构件加工变形的影响机理，以达到精准预测该 类零件加工变形的目的。

一种航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方法，包括以下步骤：

步骤1、在三维建模软件中，将需要去除的毛坯三维实体模型分割为多个实体模型，并 在有限元软件中建立仿真装配模型；

所述的仿真装配模型包括多个毛坯实体和工件实体，所述的毛坯实体个数等于加工切削 去除毛坯次数；

步骤2、对所有毛坯实体进行划分网格，设置边界条件和材料属性，提取出每个网格的 质心坐标；

步骤3、采用小孔法测量所有毛坯实体对应网格位置的残余应力，并根据实际残余应力 测量密度设置轴向、径向和切向的坐标分量范围，将所测量的残余应力施加于测量位置坐标 分量范围内的所有网格质心坐标；

步骤4、在有限元软件中，建立不包含所要去除的毛坯实体的仿真装配模型，并对所有 毛坯实体进行划分网格，设置边界条件和材料属性；

步骤5、在步骤1所建立的仿真装配模型上去除所需毛坯实体，即对所要去除的毛坯实 体内的残余应力进行释放，对剩余的毛坯实体和工件实体的加工位移变形数据进行提取；

步骤6、将提取的加工位移变形数据施加于步骤4所建立的不包含所要去除的毛坯实体 的仿真装配模型上，提取变形后模型每个网格单元的应力数据和反作用力数据；

步骤7、在有限元软件中，再次建立不包含所要去除的毛坯实体的仿真装配模型，并对 所有毛坯实体进行划分网格，设置边界条件和材料属性；

步骤8、将反作用力数据施加于步骤7所建立的不包含所要去除的毛坯实体的仿真装配 模型上使模型发生变形；

步骤9、将步骤6所提取的每个网格单元的应力数据与步骤3中施加于剩余毛坯实体的 残余应力进行叠加，获得新的残余应力，将上述新的残余应力施加于步骤8变形后的仿真装 配模型上使其再次变形；

步骤10、反复执行步骤4至步骤9，直至所有毛坯实体均被去除，获得最终工件实体的 加工变形量。

步骤5所述的对剩余的毛坯实体和工件实体的加工位移变形数据进行提取，将提取后的 加工位移变形数据转换为有限元软件在单元节点上位移输入的格式。

步骤6所述的反作用力数据，将提取后的反作用力数据转换为有限元软件在单元节点上 位移输入的格式。

本发明优点：

本发明提出一种航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方法，该方法采用分割毛 坯实体模型和施加绑定约束等方法，建立有限元仿真装配模型，进行残余应力的依次施加和 逐步释放，为模拟残余应力释放-重新分布的过程提供技术支持；基于ABAQUS软件的二次 开发技术，为模拟残余应力释放-重新分布的过程提供有效的实现手段，该方法真实的反映大 型薄壁复杂结构件加工过程中，非均布残余应力不断释放、重新分布的过程，实现大型薄壁 复杂结构件加工变形的精准预测。

附图说明

图1为本发明一种实施例的航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方法流程图；

图2为本发明一种实施例的“粗车小端”工序零件毛坯示意图，其中，图(a)为“粗车 小端”工序需要去除的毛坯示意图，图(b)为内孔毛坯示意图，图(c)为外圆毛坯示意图；

图3为本发明一种实施例的残余应力施加方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，以某型发动机机匣件“粗车小端”工序为例，该机匣件材料为GH4169， 直径832mm、轴向长度95mm、壁厚小于1.5mm，是航空发动机上典型的薄壁回转体零件， 残余应力导致的加工变形较大，切加工变形量不易准确预测；“粗车小端”工序加工顺序为先 加工内孔，后加工外圆。

本发明实施例中，航空薄壁件残余应力释放-重新分布过程的预测方法流程图如图1所示， 包括以下步骤：

步骤1、在三维建模软件中，将需要去除的毛坯三维实体模型分割为多个实体模型，并 在ABAQUS有限元软件中建立仿真装配模型；所述的仿真装配模型包括多个毛坯实体和工件 实体，所述的毛坯实体个数等于加工切削去除毛坯次数；

本发明实施例中，如图2所示，图中，1表示毛坯，2表示工件，1-1表示内孔实体，1-2 表示外圆实体，“粗车小端”工序需要去除的毛坯如图2中图(a)所示，使用三维建模软件 创建如图2中图(a)所示的毛坯实体数模，并将该毛坯实体数模分割成如图2中图(b)所 示和如图2中图(c)所示的内孔实体和外圆实体，内孔实体和外圆实体分别保存为Step格 式；使用三维建模软件创建工件实体数模，保存为Step格式；在ABAQUS软件中创建仿真 模型1，导入创建的内孔毛坯实体、外圆毛坯实体和工件实体，建立对应的仿真装配模型；

步骤2、对所有毛坯实体进行划分网格，设置边界条件和材料属性，提取出每个网格的 质心坐标；

本发明实施例中，①网格划分具体设置为：单元类型为C3D20R(二十结点二次六面体)， 近似全局尺寸为5；材料具体设置为：弹性类型为各向同性，弹性模量为199000，泊松比为 0.3；边界条件具体设置为：对大端端面进行完成固定，对中间端面进行位移/转角固定。

步骤3、采用小孔法测量所有毛坯实体对应网格位置的残余应力，并根据实际残余应力 测量密度设置轴向、径向和切向的坐标分量范围，将所测量的残余应力施加于测量位置坐标 分量范围内的所有网格质心坐标上，流程图如图3所示，具体步骤如下：

步骤3-1、在ABAQUS软件中，修改inp类型的输入文件，添加输出网格单元结点编号 以及各结点坐标值的关键字，提取内孔毛坯实体、外圆毛坯实体网格单元的结点编号以及各 结点的坐标值，数据保存到NCSYS.INC文件中；

步骤3-2、读取NCSYS.INC文件，获得毛坯结构信息，包括内孔、外圆毛坯的最小直径、 最大直径、最小轴向尺寸、最大轴向尺寸、半径平均值和轴向尺寸平均值；

步骤3-3、根据所获毛坯结构信息，通过设置最小半径、最大半径、最小轴向尺寸、最大 轴向尺寸、最小圆周角度和最大圆周角度等变量的范围，在毛坯实体上指定需要施加残余应 力的部位；

步骤3-4、根据残余应力的测量数据，设置需要施加的残余应力的具体数据；

步骤3-5、按照ABAQUS软件在网格单元上施加预定义应力的格式要求，生成残余应力 施加数据文件，文件名称为RS.INC；

步骤3-6、在ABAQUS软件中，修改inp类型的输入文件，添加施加预定义应力的关键 字，完成残余应力的施加；

步骤4、在有限元软件中，建立不包含所要去除的毛坯实体的仿真装配模型，并对所有 毛坯实体进行划分网格，设置边界条件和材料属性；

本发明实施例中，在ABAQUS软件中建立仿真模型2，仿真模型2包含外圆毛坯实体和 工件实体，该仿真模型与内孔毛坯实体被去除后实际加工状态对应；进行网格划分、边界条 件、材料等属性的设置，网格划分、边界条件、材料的具体设置具体与步骤2相同；

步骤5、在步骤1所建立的仿真装配模型上去除所需毛坯实体，即对所要去除的毛坯实 体内的残余应力进行释放，对剩余的毛坯实体和工件实体的加工位移变形数据进行提取；

本发明实施例中，在ABAQUS软件中，建立分析步，进行有限元分析，实现对内孔毛坯 残余应力的释放；提取仿真模型1中工件实体数模的加工变形位移数据，对该数据进行格式 处理，使其满足ABAQUS软件在网格结点上施加变形位移的格式要求，并把这些数据保存到 U.INC文件中；

步骤6、将提取的加工位移变形数据施加于步骤4所建立的不包含所要去除的毛坯实体 的仿真装配模型上，提取变形后模型每个网格单元的应力数据和反作用力数据；

本发明实施例中，在ABAQUS软件中，修改inp类型的输入文件，添加施加位移的关键 字，将步骤5生成的位移数据(U.INC文件)施加给仿真模型2中的工件实体数模；提取变 形后模型的反作用力数据，对该数据进行格式处理，使其满足ABAQUS软件在网格结点上施 加反作用力的格式要求，并把这些数据保存到RF.INC文件中；

步骤7、在有限元软件中，再次建立不包含所要去除的毛坯实体的仿真装配模型，并对 所有毛坯实体进行划分网格，设置边界条件和材料属性；

本发明实施例中，在ABAQUS软件中建立仿真模型3，仿真模型3包含的实体数模和网 格划分、边界条件、材料的具体设置均与仿真模型2相同。

步骤8、将反作用力数据施加于步骤7所建立的不包含所要去除的毛坯实体的仿真装配 模型上使模型发生变形；

本发明实施例中，在ABAQUS软件中，建立分析步，将步骤6得到的反作用力数据 (RF.INC文件)施加给模型3中的工件毛坯实体数模；

步骤9、将步骤6所提取的每个网格单元的应力数据与步骤3中施加于剩余毛坯实体的 残余应力进行叠加，获得新的残余应力，将上述新的残余应力施加于步骤8变形后的仿真装 配模型上使其再次变形；

本发明实施例中，在ABAQUS软件中，提取变形后外圆毛坯的应力数据，并将该应力与 步骤3在外圆毛坯上施加的残余应力测量数据进行叠加计算，实现对外圆毛坯残余应力的重 新分布计算，对叠加后的残余应力数据进行格式处理，使其满足ABAQUS软件在网格单元上 施加应力的格式要求，并把这些数据保存到S.INC文件中；将得到的残余应力数据(S.INC 文件)施加给模型3中的外圆毛坯实体数模，进行有限元仿真计算，得到去除了内孔毛坯和 外圆毛坯两个工步后的累积加工变形；

步骤10、反复执行步骤4至步骤9，直至所有毛坯实体均被去除，获得最终工件实体的 加工变形量。

本发明实施例中，若毛坯实体多于本实施例中的个数，则需要多次重复步骤4至步骤9， 获得被加工零件的累积加工变形量。