一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法技术

本发明专利技术公开了一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法，属于增材制造技术领域；解决了现有增材工艺仿真套用焊接仿真的方法，未考虑网格划分、算法选取方面的适用性，致使舵翼结构件出现生产应力集中和变形的问题。本发明专利技术的方法包括：步骤1、对现有舵翼结构件三维模型进行结构优化处理；步骤2、结构优化处理后设定空间摆放姿态；步骤3、对舵翼结构件三维模型赋予材料属性；步骤4、对舵翼结构三维模型进行网格划分；步骤5、对网格进行逐层增材过程模拟仿真，得到应力集中和大位移区域；步骤6、基于应力云图和位移云图，对舵翼结构增材结构进行优化。本发明专利技术能够有效提高舵翼结构件增材制造成形精度和成功率，降低零件试错时间和金钱成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，尤其涉及一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法。

技术介绍

[0002]舵翼结构件是航空航天领域中一种应用广泛的结构件。随着航空航天技术的发展，舵翼结构件的一体化设计与制造要求越来越高，使得传统拼焊的制造方法不再试用。增材制造是近年来发展迅猛的一种制造技术，其以数字模型为驱动，通过分层切片、路径规划等方式得到加工程序，采用逐层增加材料的方式直接成形结构件。其中，激光选区增材制造技术以粉末为原材料，逐层熔化凝固成形金属，能够实现复杂金属结构件的一体化成形，非常适用于舵翼结构的制造。
[0003]然而，舵翼结构件属于大尺寸薄壁结构件，对于激光选区熔化制造，极易产生应力集中、变形。目前，对于激光选区熔化增材制造技术，其原材料、设备使用和维护成本较高，若打印零件过程中产生变形、或内应力积累导致的开裂，则会造成打印失败，从而显著增加零件制造的金钱和时间成本。因此，需采用增材工艺仿真的方法对内应力和变形进行预判，并根据仿真结果进行增材工艺的优化。
[0004]传统增材工艺仿真主要借鉴焊接仿真的方法，通过生死单元法模拟增材过程。然而，针对大型薄壁结构，传统方法未考虑网格划分、算法选取方面的适用性，直接套用效率低。此外，针对舵翼结构的典型特点，目前尚无系统性的工艺仿真方法，以及相应的工艺优化方法。

技术实现思路

[0005]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法，用以解决现有增材工艺仿真套用焊接仿真的方法，其未考虑网格划分、算法选取方面的适用性，致使舵翼结构件出现生产应力集中和变形的问题。
[0006]本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法，该方法包括以下步骤：步骤1、对现有舵翼结构件三维模型进行结构优化处理，删除不影响仿真结果的细微特征；步骤2、对结构优化处理后的舵翼结构件三维模型设定空间摆放姿态，摆放姿态为舵面横向摆放、舵轴朝下摆放；同时对舵翼结构件内的悬空结构增加块体支撑，并在舵翼结构件三维模型的舵面前后缘尖点处增加实体支撑；舵翼结构件的包络尺寸的长
×
宽
×
高记为X
×
Y
×
Z，舵翼结构件的舵面前后缘尖点初始实体支撑模型的尺寸为：长度为0.1~0.2X，宽度为0.8~1.5Y，高度为0.15~0.3Z；步骤3、对舵翼结构件三维模型赋予材料属性；
步骤4、对舵翼结构件三维模型进行网格划分，网格为长方体网格；其中， X、Y方向网格尺寸为舵翼最小壁厚，Z方向尺寸为舵翼自底座向上高度的1~3%；步骤5、采用热固耦合法或固有应变法，对划分的网格进行逐层增材过程模拟仿真，得到舵面结构增材制造后的应力场与位移场，通过应力场和位移场获得应力云图和位移云图，得到应力集中区域和大位移区域；在步骤5中，若仿真计算不收敛，导致无法计算出结果，应回到步骤4，检查网格划分、计算参数设置的合理性，对于不合理的设置进行修改，直至计算收敛和能计算出应力与变形趋势；步骤6、基于应力云图和位移云图，对舵翼结构增材结构进行优化；应力集中区域存在于不同结构的连接区域，包括舵轴和舵面连接处、舵面和内部骨架的连接处，对应力集中区域进行结构加厚，对结构连接处进行加大圆角或倒角；对于加厚尺寸，设定每次加厚的厚度为原部位壁厚的50%；对于加大圆角或倒角，设定增加尺寸为原尺寸的2倍；每次优化后均返回到步骤3中，进行新一轮的仿真验证，直至仿真结果显示无需再进行优化。
[0007]进一步地，在步骤1中，细微特征包括小圆角/倒角、凸台和孔。
[0008]进一步地，在步骤2中，设计前缘实体支撑长度为0.15X，宽度为1.2Y，高度为0.2Z。
[0009]进一步地，在步骤2中，设计后缘实体支撑长度为0.1X，宽度为1.2Y，高度为0.2Z。
[0010]进一步地，在步骤3中，在对舵翼结构件三维模型赋予材料属性时，材料参数包括：密度、比热容、热传导系数、热膨胀系数、热辐射系数、热对流系数、弹性模量、屈服强度、抗拉强度和泊松比。
[0011]进一步地，在步骤3中，在材料参数设置时，舵翼结构件三维模型和实体支撑模型的材料参数为原材料参数。
[0012]进一步地，在步骤3中，在材料参数设置时，由块体支撑形成的非实体支撑模型的材料参数设定为原材料参数的50%~80%。
[0013]进一步地，在步骤5中，应力集中区域为局部内应力大于周围内应力20%及以上的区域。
[0014]进一步地，在步骤5中，大位移区域为局部位移大于周围位移50%以上的区域。
[0015]进一步地，在步骤5中，大位移区域存在于舵翼结构件的中空蒙皮处以及舵翼尖点处；对于大位移区域，增加外部支撑。
[0016]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：（1）本专利技术通过将具有复杂内部结构的支撑模型近似为实体支撑模型，并在材料参数设置中将密度及相关参数设定为原材料参数的50%~80%，极大地减少了因复杂模型结构造成的大量冗余计算，同时通过近似密度值实现计算结果的高度匹配，兼顾了计算效率与精度。
[0017]（2）本专利技术通过对摆放姿态、支撑结构设计等约束，最大限度减小了舵翼结构增材过程的变形。同时对实体支撑结构提出具体指导尺寸，平衡支撑量和控形效果之间的关系，兼顾增材效率与增材精度。
[0018]（3）根据舵翼结构件三维模型的形状特点，提出长方体网格划分方式，将X、Y方向（长和宽方向）网格尺寸为舵翼最小壁厚，Z方向（高度方向）尺寸为舵翼自底座向上高度的
1%~3%，保障壁厚方向还原结构原薄壁特征的同时，Z方向网格适当粗化，提高了仿真效率。
[0019]本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0020]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；图1为本专利技术的舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法的流程图；图2为本专利技术舵翼结构件的结构示意图；图3为本专利技术实施例1舵翼模型尺寸示意图；图4为本专利技术实施例1舵翼模型摆放姿态和支撑设计图；图5为本专利技术实施例1的网格划分形状轴测图；图6为本专利技术实施例1的网格划分形状剖面图；图7为本专利技术实施例1计算得到的应力云图；图8为本专利技术实施例1计算得到的位移云图；图9为本专利技术实施例1计算得到的应力云图剖面图；图10为本专利技术实施例1计算得到的位移云图剖面图。
[0021]附图标记：1
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舵面；2
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舵轴；3
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骨架；4
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平台；5
‑
前缘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种舵翼类结构增材工艺仿真及工艺优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对现有舵翼结构件三维模型进行结构优化处理，删除不影响仿真结果的细微特征；所述舵翼结构件三维模型的结构优化处理方式为：对舵翼结构件三维模型进行整体圆角/倒角、凸台和孔洞的细微特征搜索，对于圆角半径或倒角边长≤转接面尺寸1/5的小圆角/倒角予以删除；对于台阶高度≤原始体高度1/4的小台阶予以删除；对于孔直径≤模型宽度1/5的小孔予以删除；步骤2、对结构优化处理后的舵翼结构件三维模型设定空间摆放姿态，所述摆放姿态为舵面横向摆放、舵轴朝下摆放；同时对舵翼结构件内的悬空结构增加块体支撑，并在舵翼结构件三维模型的舵面前后缘尖点处增加实体支撑；舵翼结构件的包络尺寸的长
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宽
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高记为X
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Y
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Z，舵翼结构件的舵面前后缘尖点初始实体支撑模型的尺寸为：长度为0.1~0.2X，宽度为0.8~1.5Y，高度为0.15~0.3Z；步骤3、对舵翼结构件三维模型赋予材料属性；步骤4、对舵翼结构件三维模型进行网格划分，所述网格为长方体网格；其中，X、Y方向网格尺寸为舵翼最小壁厚，Z方向尺寸为舵翼自底座向上高度的1~3%；步骤5、采用热固耦合法或固有应变法对划分的网格进行逐层增材过程模拟仿真，得到舵面结构增材制造后的应力场与位移场，通过应力场和位移场获得应力云图和位移云图，以得到应力集中区域和大位移区域；在所述步骤5中，若仿真计算不收敛，导致无法计算出结果，应回到步骤4，检查网格划分、计算参数设置的合理性，对于不合理的设置进行修改，直至计算收敛和能计算出应力与变形趋势；步骤6、基于应力云图和位移云图，对舵翼结构增材结构进行优化；所述应力集中区域存在于不同结构的连接区域，包括舵轴和舵面的连接处、舵面和内部骨架的连接处，对应力集中区域进行结构加厚，结构连接处进行加大圆角或倒角；对于加厚尺寸，设定每次加厚的厚度为原部...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏江舟，齐海，干建宁，王志敏，王嘉翀，何智，韩维群，李鹏，王一豪，张铁军，李宏伟，
申请(专利权)人：北京航星机器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：