航空整体结构件加工变形有限元数值仿真

　　摘　　　要:加工变形是航空整体结构件数控加工领域普遍存在的问题.选取典型航空整体结构件,基于有限元法研究了毛坯初始残余应力对于加工变形的影响,仿真结果与试验结果一致;对残余应力引起的加工变形特点进行了分析,基于不同加工路径对航空结构件加工变形进行了有限元数值仿真,结果表明,对于单一残余应力引起的加工变形分析,可以忽略加工路径的影响.考虑铣削力与残余应力的耦合作用,建立了残余应力、铣削力的耦合力学模型,给出了具体仿真流程,针对不同加工路径进行有限元仿真,研究了铣削力对于残余应力分布及最终加工变形的影响。

　　在整体航空结构件的铣削加工过程中普遍存在有加工变形的问题,这是数控加工领域公认的难题.针对加工变形问题,学者们在各个领域进行了广泛研究,如切削加工过程模拟、残余应力数值模拟等,其在一定程度上为优化工艺提供了理论依据.这些文献主要集中在二维切削加工机理的研究或主要研究引起加工变形的某一因素上,这对于预测航空结构件的整体变形有一定局限性[1-3].研究表明,毛坯初始残余应力是引起加工变形的重要原因[4-5].在实际加工过程中,铣削力是影响加工变形的另一因素.现有文献常常不计铣削力与初始残余应力的耦合作用,而且铣削加工是一个复杂的三维动态过程[6],在有限元数值模拟中有待对铣削加工过程的关键技术进行系统深入研究.

　　本文基于有限元仿真技术研究了初始残余应力对于整体结构件的加工变形的影响,仿真结果与试验结果一致,并对残余应力引起的加工变形特点进行了分析;建立了包含初始残余应力、铣削力的耦合力学有限元模型,基于不同加工路径进行有限元仿真,对铣削力在加工变形中的影响作了深入研究,探索耦合条件下框类航空结构件加工变形规律。

　　1　残余应力对加工变形的影响分析

　　1.1　有限元模型及初始残余应力场构建

　　选取典型整体结构件按相似性原理设计比例件进行加工过程有限元仿真.工件材料为7075铝合金,经过淬火热处理.毛坯尺寸: 300 mm×84mm×26mm,工件壁厚为2mm.弹性模量为71GPa,泊松比为0. 3,塑性模量为250MPa,屈服应力为455MPa,选用双线性强化模型来描述材料本构关系.

　　初始残余应力分布如图1所示[7]包括长度方向(X向)的残余应力及宽展方向(Y向)的残余应力.编写残余应力施加算法,对有限元模型添加初始残余应力[8].工件理想设计形状如图2所示。

　　1.2　仿真过程

　　仿真边界条件是在工件的非加工部分选择3个点,分别约束及Z平移自由度. 3点选择原则是:完全约束工件的刚体运动,而不影响工件的任意变形.