[發(fā)明專利]高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形精度預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110401540.0
• 申請(qǐng)日: 2021-04-14
• 公開（公告）號(hào): CN113076598B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓星會(huì);華林;莊武豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F30/23;G06F113/22;G06F113/24;G06F113/28;G06F119/08
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 朱宏偉

1.一種高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形精度有限元預(yù)測(cè)模型；

S2、確定高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形形狀偏差；

S3、確定高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形尺寸偏差；

S4、確定高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形幾何偏差；

所述步驟S1包括以下步驟：

S11、建立高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形幾何模型：以高筋薄壁構(gòu)件底板上表面中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，底板上表面法線為z軸，過點(diǎn)O且平行于一條高筋的直線為x軸，建立高筋薄壁構(gòu)件坐標(biāo)系Oxyz；在坐標(biāo)系Oxyz中，以點(diǎn)O為基準(zhǔn)，將高筋薄壁構(gòu)件等比例放大(T₀-20)×g倍，獲得高筋薄壁構(gòu)件熱鍛件，其中g(shù)為高筋薄壁構(gòu)件材料熱膨脹系數(shù)，T₀為高筋薄壁構(gòu)件熱鍛件溫度；將熱鍛件高筋型面點(diǎn)集F(x,y,z)按向量進(jìn)行偏移，向量由方程(1)計(jì)算所得；以偏移后的點(diǎn)集為基準(zhǔn)，構(gòu)建高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形包絡(luò)模；用于成形熱鍛件外型面的凹模型腔尺寸與熱鍛件外型面尺寸一致；用于高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形的坯料為板坯，板坯的截面形狀與熱鍛件底板截面形狀一致，將板坯置入凹模型腔后，板坯整個(gè)周向型面與凹模型腔發(fā)生全周接觸；

其中，δ為包絡(luò)模圓錐角；

S12、建立模具與板坯預(yù)熱變形有限元模型：在步驟S11所設(shè)計(jì)的幾何模型基礎(chǔ)上，賦予包絡(luò)模、凹模和板坯相應(yīng)的熱膨脹材料參數(shù)和預(yù)熱溫度參數(shù)；將包絡(luò)模和凹模設(shè)置為彈性體，板坯設(shè)置為彈塑性體；選定包絡(luò)模錐頂點(diǎn)、凹模型腔底面中心和板坯底面中心為預(yù)熱變形基準(zhǔn)點(diǎn)，在預(yù)熱變形基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置3個(gè)平動(dòng)自由度約束和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束，確保預(yù)熱變形基準(zhǔn)點(diǎn)不發(fā)生空間平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；以預(yù)熱變形基準(zhǔn)點(diǎn)為參考，通過有限元模擬計(jì)算預(yù)熱變形所致包絡(luò)模、凹模和板坯的節(jié)點(diǎn)位移量；

S13、建立高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形剛塑性有限元模型：根據(jù)步驟S12所得包絡(luò)模、凹模和板坯預(yù)熱變形后的節(jié)點(diǎn)位移量，建立預(yù)熱變形后的包絡(luò)模、凹模和板坯幾何模型；以板坯上表面中心O₀處法線為z₀軸，平行與板坯一條直邊為x₀軸建立坐標(biāo)系O₀x₀y₀z₀，將包絡(luò)模錐頂點(diǎn)、凹模型腔底面中心移動(dòng)至z₀軸上，沿z₀軸由上向下方向依次安裝包絡(luò)模、板坯和凹模，凹模型腔底面與板坯下表面接觸，包絡(luò)模錐頂點(diǎn)與板坯上表面接觸；以包絡(luò)模錐頂點(diǎn)為參考點(diǎn)，將包絡(luò)模向x₀方向偏轉(zhuǎn)角度(π-δ)/2，確保包絡(luò)模型面與板坯上表面發(fā)生線接觸；將包絡(luò)模和凹模設(shè)置為剛性體，板坯設(shè)置為剛塑性體，將步驟S12中包絡(luò)模、凹模和板坯的節(jié)點(diǎn)溫度值嵌入到高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形剛塑性有限元模型中，并在包絡(luò)模與板坯間、凹模與板坯間設(shè)置熱交換條件和摩擦條件；在包絡(luò)模上繞x₀軸施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)ω_x，繞y₀軸施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)ω_y，ω_x和ω_y由公式(2)計(jì)算所得，ω_x和ω_y的合成運(yùn)動(dòng)即為包絡(luò)模的包絡(luò)運(yùn)動(dòng)；在凹模上繞x₀，y₀，z₀軸施加旋轉(zhuǎn)約束，沿x₀，y₀軸施加平移約束，僅允許凹模沿z₀軸作平動(dòng)；在包絡(luò)模和凹模的共同作用下，板坯發(fā)生連續(xù)局部塑性變形，獲得高筋薄壁預(yù)鍛件；

其中，c為空間包絡(luò)成形裝備偏心套偏心距，ω為空間包絡(luò)成形裝備的偏心套轉(zhuǎn)速，L為空間包絡(luò)成形裝備轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度，t為空間包絡(luò)成形時(shí)間；

S14、建立高筋薄壁構(gòu)件包絡(luò)精整彈塑性有限元模型：將步驟S13高筋薄壁構(gòu)件空間包絡(luò)成形包絡(luò)模和凹模作為精整包絡(luò)模和精整凹模，將步驟S13所得高筋薄壁預(yù)鍛件作為精整預(yù)鍛件；將步驟S13最終時(shí)刻包絡(luò)模和凹模節(jié)點(diǎn)溫度值導(dǎo)出并嵌入到精整包絡(luò)模和精整凹模中，精整包絡(luò)模和精整凹模設(shè)置為彈性體；將步驟S13所得高筋薄壁預(yù)鍛件節(jié)點(diǎn)溫度值和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值導(dǎo)出并嵌入到精整預(yù)鍛件中，精整預(yù)鍛件設(shè)置為彈塑性體；精整包絡(luò)模按步驟S13中公式(2)作包絡(luò)運(yùn)動(dòng)，精整凹模沿x、y、z軸的3個(gè)平動(dòng)自由度和繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全部被約束，使精整凹模保持靜止；通過有限元模擬精整預(yù)鍛件彈塑性變形、精整包絡(luò)模彈性變形和熱膨脹變形以及精整凹模彈性變形和熱膨脹變形，獲得耦合了精整包絡(luò)模彈性變形和熱膨脹變形、精整凹模彈性變形和熱膨脹變形的高筋薄壁精整鍛件；

S15、建立高筋薄壁精整鍛件脫模后回彈變形有限元模型：在步驟S14有限元仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于高筋薄壁精整鍛件節(jié)點(diǎn)位移量，構(gòu)建回彈預(yù)鍛件；將步驟S14所得高筋薄壁精整鍛件節(jié)點(diǎn)溫度值和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值導(dǎo)出并嵌入到回彈變形預(yù)鍛件中，并將其設(shè)置為彈塑性體；在回彈變形預(yù)鍛件底板上表面中心區(qū)域選取基準(zhǔn)網(wǎng)格單元，在該基準(zhǔn)網(wǎng)格單元上施加沿x、y、z軸平動(dòng)自由度約束和繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束，其余網(wǎng)格單元不施加任何約束；解除精整包絡(luò)模和精整凹模對(duì)回彈變形預(yù)鍛件的約束，通過有限元法重新計(jì)算各節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力平衡關(guān)系，求解應(yīng)力重新平衡后各節(jié)點(diǎn)位移量，獲得高筋薄壁精整鍛件脫模后的回彈鍛件；

S16、建立高筋薄壁鍛件脫模后冷卻收縮有限元模型：在步驟S15高筋薄壁鍛件脫模后回彈變形有限元仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)回彈變形鍛件各節(jié)點(diǎn)位移量，構(gòu)建冷卻收縮預(yù)鍛件；將步驟S15模擬所得回彈變形鍛件節(jié)點(diǎn)溫度值和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值嵌入到冷卻收縮預(yù)鍛件中，并將其設(shè)置為彈塑性體；在冷卻收縮預(yù)鍛件的底板上表面中心區(qū)域選取基準(zhǔn)網(wǎng)格單元，在該基準(zhǔn)網(wǎng)格單元上添加沿x、y、z軸平動(dòng)自由度約束和繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束，其余網(wǎng)格單元不添加任何約束；在冷卻收縮鍛件初始模型內(nèi)賦值鍛件材料導(dǎo)熱參數(shù)，在冷卻收縮預(yù)鍛件表面設(shè)置與空氣間的界面?zhèn)鳠釁?shù)和冷卻收縮鍛件材料熱輻射參數(shù)；通過有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)上溫度變化量和應(yīng)力變化量，求解因各節(jié)點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化所致的冷卻收縮變形量，獲得冷卻至室溫的冷卻收縮鍛件。