[發明專利]一種表面加工殘余應力場引起的加工變形的計算方法

有效

• 申請號: 201610955323.5
• 申請日: 2016-10-27
• 公開（公告）號: CN107038270B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 楊文玉;戰崇華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 李智

本發明公開了一種表面加工殘余應力場引起的加工變形的計算方法。在本方法中，通過對零件表面加工殘余應力場的建模和分析，將表面殘余應力場對變形的作用等價于一組表面力和邊緣力。通過在有限元模型中施加相應表面力和邊緣力，完成表面加工殘余應力場引起的變形計算。相對于傳統方法，本方法需要的單元數目少，對網格劃分沒有特殊要求，能處理更大尺度的問題，使得在汽輪機和航空發動機的大型葉片、船用大尺度螺旋槳上的應用成為了可能。

技術領域

本發明涉及機械加工的物理仿真領域，尤其是復雜曲面零件的表面加工變形的計算領域，更具體地，涉及一種表面加工殘余應力場引起的加工變形的計算方法。

背景技術

加工變形是機械零件加工過程中的普遍現象。零件加工變形的是由于切削力、切削熱、基底殘余應力的釋放、表面加工殘余應力場的產生和機床夾具等的共同作用。通常這種加工變形大小在微米量級，可以忽略不計。但對于大尺度構件和薄壁件，這種加工變形常常在毫米級，接近零件的設計公差，會大大增加廢品率和影響零件的加工質量。

由表面加工殘余應力場引起的加工變形是加工變形的一種主要形式，有時是加工變形的主要部分。預測由表面加工殘余應力場引起的加工變形對控制此變形有重要意義。傳統的預測方法包括直接將表面殘余應力場施加到零件有限元模型中的“直接映射法”和E.Brinksmeier提出的“源應力法”。其中直接映射法處理曲面問題耗費大量計算資源以至于在較大尺度零件上應用有很大困難；源應力法只適用于平面問題。另外如圖1b所示，直接映射法還對網格劃分有特殊要求，其表面影響層(加工表面下幾十至幾百微米內)需劃分多層網格，以保證網格內部有足夠數量的單元來映射殘余應力，通常需要劃分數百萬個計算單元才能得到足夠精確的結果。沒有經驗的使用者使用直接映射法時，不符合要求的網格(表面影響層內沒有足夠數量的單元來映射殘余應力)可能得到不精確的甚至得到錯誤的結果。

發明內容

針對現有表面加工殘余應力場引起的加工變形的計算方法存在的缺點，本發明旨在提供一種能夠克服現有兩種方法中分別存在的不適用于曲面問題和耗費大量計算資源、無法處理大尺度曲面零件、對網格劃分和使用者經驗有較高要求等缺點的新的表面加工殘余應力場引起的加工變形的計算方法。

為了達到上述目的，本發明提供了一種由表面加工殘余應力場引起的加工變形的計算方法，該方法包括以下步驟：

(1)劃分單元網格；

(2)讀取有限元數據，獲取有限元模型信息，包括加工表面上的有限元節點和加工表面邊緣的有限元節點；

(3)對于加工表面上的每個有限元節點，計算等效體積力矢量f^e；

(4)對于加工表面上的每個有限元節點，將等效體積力矢量f^e等效成等效面力矢量T：

其中，H為表面變質層厚度；

(5)對于加工表面上的每個有限元節點，計算簡化后的等效面力矢量T的等效節點力F_surface：

其中，T_i是有限元節點i對應的等效邊力矢量；

N_i是有限元節點i對應的單元形函數；

N是待求取節點的單元形函數；

(6)對于加工表面邊緣的每個有限元節點，計算等效面力矢量t^e；

(7)對于加工表面邊緣的每個有限元節點，將等效面力矢量t^e等效成等效線載荷P：

其中，H為表面變質層厚度；