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虚拟制造技术在航空航天领域的应用

时间:2015-07-23  来源:中国百科网   发布:高端装备网 
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    中国的航空航天事业经过半个多世纪的发展,从无到有、从弱到强,不断实现新的历史性跨越。但随着社会的进步以及科学技术的发展,传统的导弹研制路线已经不能满足国防工业的发展。虚拟制造是率先由美国提出的一种全新概念,被认为是21世纪的全新制造技术。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的模拟,是采用计算机仿真与虚拟现实技术,在高性能计算机和高速网络的支持下的协同工作。虚拟制造的最终目标是反作用于实际制造过程,用来指导生产实践。因此,虚拟制造是实际制造的抽象,实际制造是虚拟制造的实例。
 
    随着高精度有限元技术被成功应用于材料加工工艺的研究中,为准确分析旋压、钣金冲压及拉伸等工艺过程中材料的变形规律以及优化成形工艺参数提供了高效和高精度的数值方法和手段。有限元模拟对减少试验次数和模具费用,提高设计效率减少开发周期都发挥了重大的作用。有限元模拟已经成为现代材料加工工艺分析的最重要手段。而Simufact软件是一款集成众多成熟非线性的弹塑性有限元软件,在金属材料的塑形加上领域有着广泛应用。

    1、有限元建模
 
    由于本次旋压件为直筒形,一般在满足计算要求的前提下,选取旋压一小段来建立几何模型,由局部观整体。折弯和拉伸工艺相对简单,变形区集中在折弯圆角部分以及拉伸圆角部分,影响产品质量的因素较少,钣金拉伸和折弯完全按照实际建模。下图1为在Simufact中建立的三维模型。几何模型也可以直接导入CAD软件的数字模型。
 
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图1:在simufact中建立的三维模型
 
    计算模型按照实际加工过程施加边界条件。给旋轮施加径向速度,选择常剪切摩擦模型进行计算,旋轮圆角半径R=5mm、旋轮直径D=250mm。仿真参数的选择由粗到细,第一次仿真计算按相关资料选取范围内的较大值,如转速选取250r/min,摩擦因子选取0.7,进给速度为4mm/s。然后通过仿真结果,再适当的调整参数,进行下一步的仿真,直到得出较为合理的工艺参数为止。
 
    2、仿真结果分析
 
    2.1 强力旋压仿真
 
    通过对相关参数的设定,对管坯进行旋压工艺有限元仿真,图2(a)为旋压一段后,坯料中等效塑性应变的分布云图。从图可以看出,坯料中的最大应变已达2.5,坯料中大多数部位应变在1.5左右,且分布均匀,这说明坯料各处的变形均匀:图2(b)为坯料中等效应力分布云图,从图2(b)也可以看出,坯料中各处的应力分布均匀,这也从侧面反映了坯料各处变形均匀。从图2(a)和图2(b)也可看出,坯料旋压后,没有出现扩径,表面毛刺、波浪等缺陷。说明此工艺参数(芯轴转速约为130r/min,进给速度约为2.5mm/s。)较为合理。
 
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图2:旋压后坯料中应力和应变的分布云图
 
    隆起缺陷是旋压中最常发生的缺陷,它主要表现为金属材料在旋轮前产生堆积现象。虽然旋压变形时金属基本上是沿着旋轮向后流动的,但仍然有少量金属流向旋轮的前方,这与金属流动时的阻力情况有关。
 
    因此,实际的毛坯壁厚和减薄率会产生变化。这种材料堆积缺陷在一定程度下是可以容许的,但是当情况较严重时,会产生变形失稳,严重的隆起往往会造成旋压件的撕裂等现象。图3为模拟中进给速度设定为4mm/s时坯料表面隆起现象.通过模拟发现,减薄率太大容易引起表面隆起现象,进给比太大也对其有影响。我们可以通过降低减薄率和进给比来抑制它的发生。
 
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图3:模拟中产生的隆起现象及波浪纹
 
    进给比和芯轴转速是旋压中比较重要的两个工艺参数,这两个参数的合理匹配在旋压工艺的选取中极为重要,在本次仿真分析中,由于在第一次计算中两个工艺参数匹配不合理,归结为进给比过大,在其后降低进给比后便得到了较好的仿真结果。图4为旋压中进给比和转速匹配不合理所造成的缺陷。当进给速度降低为2.5mm/s时,旋压出的管材质量较4mm/s时有较大改善,因而在后期的方仿真分析中,进一步降低了进给速度,得到了比较合理的工艺参数。
 
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图4:进给比和转速匹配不合理所造成的缺陷
 
    通过对不同工艺参数进行计算机仿真,在计算机上实现虚拟制造,并对计算结果进行分析,进行试验验证,最终得到了合理的工艺参数。由于在计算机上对生产过程进行再现,极大的减少了物理实验次数,减少了样机试验阶段巨大的人力物力投入,缩短了研制进程。
 
    2.2 钣金拉伸仿真
 
    图5为相同拉伸深度,压边力为5000N和10000N时坯料中X方向位移云图和等效塑性应变云图。通过模拟不同压边力对拉伸工艺的影响,可以得到合理的压边力,从而人量减少工程师进行试验的时间。而且通过仿真可以预测不同工况下坯料成形后是否出现缺陷,以及对模具及工艺参数作出优化。
 
    图5为摩擦系数分别为0.05、0.1、0.2时坯料中等效塑性应变的分布云图。通过分析不同摩擦系数下的模拟结果,可以得到合理的摩擦系数,从而对实际生产中的润滑剂选择起到指导作用。
 
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图5:不同压边力相同拉伸深度时坯料X方向位移云图
 
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图6:摩擦系数不同时坯料中等效塑形应变分布云图
 
    可以通过改变工艺参数的设置来模拟其它参数对拉伸的影响,如改变摩擦系数来确定实际生产中润滑剂的选择、改变冲头速度、坯料加热温度、坯料尺寸等,最终得到合理的工艺参数,得到材料的极限拉伸比,还可对模具进行相关优化。得到合理的模具结构尺寸。
 
    2.3 折弯仿真
 
    图7(a)和图7(b)分别为第一、二次折弯后坯料中等效应力的分布云图。由图7(a)和图7(b)可以看出,折弯后,位于折弯圆角附近的坯料应力比较集中,容易诱导缺陷的产生。
 
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图7:折弯后坯料中等效应力的分布云图
 
    图8为折弯随时间的变化趋势图,图8(a)为第一次折弯时,折弯力随时间的变化图,图8(b)为第二次折弯时,折弯力随时间的变化图。由图可以看出,折弯力在未接触坯料时为0,接触坯料后相当长的一段时间稳定在一固定值,在变形后期,随着坯料与凹模的接触面积增大,折弯力也在短时间内急剧增大。这是因为折刀在下行过程中,已经运动到下死点,与材料及下模紧密的贴合在一起。如果弯折的角度设计不合理,很可能导致坯料的回弹量过大而达不到使用要求,我们通过弹塑性有限元仿真可以很好的预测坯料成形后的回弹量。
 
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图8:折弯力随时间变化趋势图
 
    折弯工艺相对前两个工艺较为简单,有限元模拟工作量较少。还可以通过调整弯曲半径、冲头下压速度、弯曲毛坯尺寸及回弹分析来做研究,从而得剑更加合理的工艺参数及模具结构尺寸。节省物理实验的次数以及每次物理实验中人力和物力投入。
 
    过本次模拟,得出对于厚度为6.5mm的管坯,道次减薄率约为46.2%,厚度减薄到3.5mm,较合理的工艺参数为:芯轴转速约为130rmin,进给速度约为2.5mm/s。在此工艺参数下,旋压仿真出的零件壁厚均匀,经测量,壁厚差在0.07mm左右,表面无明显波纹。而当摩擦因子设定为0.7或其它较大值时,坯料出现扩径或表面毛刺等缺陷。因而在实际生产中应该保证坯料内外表面的光洁及选用合适的润滑剂。当芯轴转速设定为250r/min或更大值时,坯料出现扩径及椭圆形端口缺陷,当将进给速度设定为4mm/s时,坯料表面出现隆起,故实际生产中应尽量避免使用较高的进给速度且应使芯轴转速和进给比在合理的范围内并匹配合理。表1为本次仿真计算不同工艺参数下的结果对比分析。
 
表1:不同工艺参数下的仿真结果
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