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残余应力作用下复杂曲面零件的变形分析、预测与实验研究

【摘要】:传统切削加工不考虑切削加工的物理过程,认为刀具运动的包络面就是加工后零件的最终几何形状。而实际切削加工是一个复杂的物理过程,加工过程中工件内部的应力场、温度场、金属塑性流动和相变等都会影响零件的最终几何形状。此类由于加工过程中物理效应产生的加工后零件几何形状和刀具运动包络面的偏差称为加工变形。加工变形产生的原因包括加工过程中表面残余应力的生成、基底残余应力的释放、切削力、切削热、切削过程中工件的刚度改变、装夹方式和夹紧力等等。近年来,随着大尺度曲面零件和薄壁件在船舶海洋、航空航天领域的广泛应用,加工变形现象逐渐得到重视。对于海洋平台上动力定位系统中的大尺度调距桨零件而言,表面加工残余应力的生成和基底残余应力的释放是其加工变形的重要原因之一。对此类变形的建模和分析是控制此类变形的基础。为此,本文对调距桨零件等大尺度曲面类零件的残余应力相关加工变形的建模和仿真方法进行了研究,主要工作如下:对表面加工残余应力引起的加工变形的仿真方法进行了研究。针对国际上现有方法占用计算资源多,运行效率低,无法满足大尺度调距桨零件加工变形计算需要的缺点,提出了一种表面加工残余应力引起加工变形的新预测方法。通过推导含有残余应力的弹性体变形的基本微分方程,提出了等效变形力的概念,将残余应力场作用下的复杂变形转化为等效力作用下的弹性变形,建立了大尺度曲面零件变形预测的有效数值计算方法,并证明了残余应力的变形效应的等价。采用张量方法和微分几何知识对复杂曲面零件的表面加工残余应力场进行了建模分析,建立了等效面力和边力的计算方法。该计算方法可以利用CAD模型中的加工表面几何信息,完成等效变形力的计算。采用C#语言和UG/Open API接口开发了表面加工残余应力引起加工变形的专用计算插件软件 SPDCT(Surface Processing Distortion Calculation Tool)。该软件可以利用工件CAD模型中的加工表面几何信息,完成等效面力和边力的计算,并将其施加到Abaqus的INP模型文件,利用Abaqus软件的功能完成后续变形分析。利用SPDCT插件软件,完成了平面和曲面工件的加工变形预测。其中平面工件的预测过程说明E.Brinksmeier的源应力法可以看成新预测方法在加工表面为平面并且表面加工残余应力均匀分布情况下的特例。在曲面工件的仿真分析中,新预测方法使用映射法1/58的节点和1/65的单元就完成了同样的变形预测任务,不仅节省了计算资源,而且使更大尺度曲面零件的变形预测成为了可能。采用文中所提出的表面加工残余应力引起加工变形的新预测方法,实现了大尺度调距桨零件的表面喷丸变形预测,并进行了实验验证。采用基于源应力法的残余应力标定方法标定了实验用大型喷丸机在镍铝青铜材料表面产生的加工残余应力场。利用桨叶CAD模型中的几何信息和标定出的残余应力场,对大尺度调距桨零件的加工变形进行了预测。通过对比分析预测结果和实验数据,对新方法的有效性进行了验证。对基底残余应力(毛坯残余应力)释放引起的加工变形的预测方法进行了研究。提出了一种残余应力释放引起加工变形的新预测方法。新方法将残余应力释放和再平衡引起的复杂变形等效成等效变形力作用下的简单弹性变形。开发了 Abaqus软件的插件软件对新方法进行了实现。相比于原有方法,新方法只需加工表面处的残余应力场二维分布即可完成运算,降低了毛坯基底残余应力场测量和建模的难度。采用文中所提出的基底残余应力释放引起加工变形的新预测方法,完成了典型零件的残余应力释放相关加工变形预测。利用裂纹柔度法和轮廓法两种方法对毛坯基底残余应力场进行了建模。利用毛坯残余应力建模结果,对典型零件的加工变形进行了预测。通过实际加工实验,对新方法进行了验证。此外,还依据变形预测结果对零件的CAD模型进行了修正,对加工变形进行了校正。后续加工实验表明,CAD模型的修正成功地抑制了加工变形,加工变形仅为未修正时的20%左右。

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