【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械加工领域，具体涉及一种基于有限元分析的大型复杂薄壁件切削变形快速预测方法。
技术介绍
1、随着我国航空航天工业的快速发展，对航空航天制造业的技术水平和生产能力要求越来越高。大型薄壁结构件由于结构紧凑、重量轻、整体性能好等特点，近年来在航空航天领域取得了广泛应用。然而，大型薄壁结构件由于形状复杂、刚度低、加工周期长等特点，在加工过程中受到残余应力、切削力、切削热及装夹条件等多因素耦合的情况下，极易产生加工变形，严重影响薄壁结构件的尺寸精度与力学承载性能。因此，建立大型薄壁结构件加工过程中的变形预测模型，对于提高其加工制造质量和精度具有重要的理论价值和实际意义。
2、目前，国内外学者基于有限元技术针对大型薄壁结构件的切削变形预测进行了大量研究。其中，rai j k利用显式动力学仿真建立薄壁件三维有限元模型，分析了刀具几何参数、切削参数和加工路径等因素对工件加工变形的影响。显示动力学仿真通过定义刀具-工件材料的损伤失效准则，虽然能够较为准确的预测切削过程中的弹塑性变形，但求解效率低，时间成本大，只能用于分析薄壁件局部的变形预测，无法实现大型薄壁构件的整体加工变形预测。对此，中国专利cn201510234973.6公开了一种大型复杂结构件加工变形有限元预测方法，该专利技术采用多个连续静力隐式分析步模拟三维动态切削加工显式计算的方法，基于切削力载荷连续自动施加和依次卸载技术以及“生死单元”技术，提出了一种完整结构、全尺寸的有限元仿真预测方法。该方法缩短了仿真计算时间，但切削力的加载过程繁琐且复杂，施加一次切削
3、尽管针对薄壁件切削变形预测的研究方法较多，但这些方法都存在诸多问题，显示动力学仿真求解效率低，隐式静力学仿真建模过程繁琐且复杂，都无法实现大型薄壁结构件加工变形的快速预测。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，基于有限元仿真技术，提供一种同时考虑残余应力、切削力、切削热及装夹条件多因素耦合的情况下的大型薄壁结构件的切削变形快速预测方法，为研究加工变形规律和合理有效的加工精度控制优化策略提供重要参考和依据。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于有限元分析的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，包括以下步骤：
3、步骤一、获取大型薄壁结构件切削过程中的加工轨迹方程和切削速度；包括，建立所述大型薄壁结构件三维切削模型，以工件中心为坐标原点，建立工件坐标系{w}，以刀具中心为坐标原点，建立刀具坐标系{d}，按照所述大型薄壁结构件的曲面轮廓，拟合得到工件坐标系{w}下的加工轨迹方程；根据加工轨迹方程，计算随时间变化的切削速度；
4、步骤二、获取所述大型薄壁结构件的残余应力场以及在稳定切削状态下的切削温度和所述工件坐标系{w}下的切削力分量；
5、步骤三、利用abaqus有限元软件建立所述大型薄壁结构件的切削热源模型，在切削区域施加不同的热源载荷，提交分析，得到不同热源载荷下的切削温度，并进行拟合，得到热源载荷和切削温度的拟合解析式；
6、步骤四、利用abaqus有限元软件建立所述大型薄壁结构件的切削温度场模型，按照步骤一的加工轨迹方程和步骤二的切削温度，根据步骤三得到热源载荷和切削温度的拟合解析式，编写dflux子程序，将热源载荷按照加工轨迹方程导入abaqus有限元软件中，将切削热以移动热源的形式依次施加在切削区域，得到所述大型薄壁结构件随时间变化的温度场；
7、步骤五、利用abaqus有限元软件建立所述大型薄壁结构件的切削变形预测模型，根据装夹布局设置边界条件，导入步骤四的温度场，编写以下子程序：
8、sigini子程序：将步骤二获取的残余应力场通过解析式的形式导入abaqus有限元软件中；
9、dload子程序：根据步骤一获取的所述加工轨迹方程，将步骤二获取的所述工件坐标系{w}下的切削力分量，按照时间顺序依次施加在切削区域；
10、usdfld子程序：abaqus有限元软件中的“生死单元”技术只能在分析步开始时激活，需要建立多个静力隐式分析步才能实现连续的材料去除过程，通过usdfld子程序控制预定义场改变网格单元材料属性，通过控制状态变量改变网格单元状态，模拟“生死单元”技术的效果；能够在增量步开始时激活，单个分析步便能实现连续的材料去除过程，具体过程如下：材料属性中设置两个场变量和两个状态变量，包括：当场变量为“0”时，材料属性设置为工件材料；当场变量为“1”时，材料属性设置的杨氏模量设置范围为0-0.1，密度设置范围为0-10-15；当状态变量为“0”时，单元状态显示为未激活；当状态变量为“1”时，单元状态显示为激活；根据步骤一获取的所述加工轨迹方程，当工件位置到达切削区域时，将场变量设为“1”，状态变量设为“0”，从而模拟“生死单元”效果；
11、步骤六、将步骤五建立的所述大型薄壁结构件的切削变形预测模型提交到隐式求解器中进行分析，得到所述大型薄壁结构件的变形云图。
12、进一步地，本专利技术所述的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其中：
13、步骤二中，获取所述大型薄壁结构件残余应力的方法是，利用abaqus有限元软件建立所述大型薄壁结构件毛坯的热处理仿真模型，得到残余应力场，并按坐标并按工件坐标系{w}下的坐标进行拟合。
14、步骤二中，获取所述大型薄壁结构件在稳定切削状态下的切削温度的方法是，通过实验测得不同切削速度时，工件处于稳定切削状态下的切削温度，并拟合得到切削温度与切削速度的关系。
15、步骤二中，获取所述大型薄壁结构件在稳定切削状态下、所述工件坐标系{w}下的切削力分量的方法是，通过实验测得不同切削速度时，工件处于稳定切削状态下的刀具坐标系{d}下的切削力分量fdx、fdy、fdz，并拟合得到切削力分量与切削速度的关系；建立所述刀具坐标系{d}和所述工件坐标系{w}之间的坐标转换矩阵p，通过所述坐标转换矩阵p将所述刀具坐标系{d}下的切削力分量fdx、fdy、fdz转换为所述工件坐标系{w}下的切削力分量fwx、fwy、fwz。
16、与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的优点和积极效果是：
17、(1)本专利技术通过usdfld子程序控制预定义场改变网格单元材料属性，控制状态变量改变网格单元状态，模拟“生死单元”技术的效果，在单个分析步中设置多个增量步便能实现连续的材料去除过程，克服了abaqus有限元软件中“生死单元(model change)”技术模拟材料去除时，建模过程繁琐且复杂的难题，大大减少了建模时间，实现了大型薄壁结构件加工变形的快速预测。
18、(2)本专利技术通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于有限元分析的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，步骤二中，获取所述大型薄壁结构件残余应力的方法是，利用ABAQUS有限元软件建立所述大型薄壁结构件毛坯热处理仿真模型，得到残余应力场，并按工件坐标系{W}下的坐标进行拟合。
3.根据权利要求1所述的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，步骤二中，获取所述大型薄壁结构件在稳定切削状态下的切削温度的方法是，通过实验测得不同切削速度时，工件处于稳定切削状态下的切削温度，并拟合得到切削温度与切削速度的关系。
4.根据权利要求1所述的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，步骤二中，获取所述大型薄壁结构件在稳定切削状态下、所述工件坐标系{W}下的切削力的方法是，通过实验测得不同切削速度时，工件处于稳定切削状态下的刀具坐标系{D}下的切削力分量FDx、FDy、FDz，并拟合得到切削力分量与切削速度的关系；建立所述刀具坐标系{D}和所述工件坐标系{W}之间的坐标转换矩阵P，通过所述坐
...【技术特征摘要】
1.一种基于有限元分析的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，步骤二中，获取所述大型薄壁结构件残余应力的方法是，利用abaqus有限元软件建立所述大型薄壁结构件毛坯热处理仿真模型，得到残余应力场，并按工件坐标系{w}下的坐标进行拟合。
3.根据权利要求1所述的大型薄壁结构件切削变形快速预测方法，其特征在于，步骤二中，获取所述大型薄壁结构件在稳定切削状态下的切削温度的方法是，通过实验测得不同切削速度时，工件处于稳定切削状态下的切削温度，并拟...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦旭达，黄安安，李士鹏，李皓，赵庆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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