變曲率型材滾彎有限元分析方法技術

本發明專利技術公開了一種變曲率型材滾彎有限元分析方法。屬于飛機鈑金成形技術領域，該方法首先分析四輥滾彎機床幾何結構及運動關系，在大型有限元軟件中建立各滾輪與型材的數學模型并按滾彎機床幾何結構進行裝配，設置型材的初始左右滾輪位移量，建立等曲率滾彎標準靜態分析模型并提交運算，得到該種情況下的成形型材曲率半徑；然后改變左右滾輪位移量，重復計算，得到左右滾輪位移量與成形滾彎型材曲率半徑之間的一一對應關系；最后利用對應關系對型材進行分段變曲率滾彎有限元靜態分析，通過比較有限元分析結果的曲率半徑與型材數模曲率半徑的誤差，誤差較大的部位適當修改各等弧長分段點處的左右滾輪位移量，重新計算，直至誤差滿足要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及了一種新型變曲率型材滾彎有限元分析方法，屬于飛機鈑金成形技術。
技術介紹
近年來，在飛機生產中，滾彎成形用于成形框肋緣條、機身前后段和發動機短艙長桁等這些截面形狀復雜、變曲率的彎曲件，采用有限元計算的分析方法能節約成本，提高效率。周養萍的型材滾彎研究碩士論文中的變曲率型材滾彎有限元分析方法是采用變曲率型材等曲率逼近，該方法首先基于彈塑性理論對型材滾彎成形的基本理論及滾彎中的彈性回復進行了研究，推導出型材滾彎成形回彈半徑的表達式，建立了等曲率滾彎回彈半徑計算模型，利用回彈計算模型推導出滾彎工藝參數，然后利用有限元分析軟件對型材進行分段等曲率滾彎模擬分析。該方法通過理論推導得出的回彈計算模型本身建立在假定型材在彎曲滾輪之間的彎曲變形部分是圓弧狀，且回彈半徑公式中的材料應變剛模量參數難于獲得；同時該種方法在每個分段內為等曲率，而實際上型材在每個分段內并非等曲率。此種有限元分析方法滾彎得到的型材成形精度不高，模擬得到的型材曲率半徑與型材數模曲率半徑誤差較大。
技術實現思路
本專利技術目的在于解決現有變曲率型材滾彎有限元分析結果誤差較大，精度不高的問題，提供一種誤差小、精度高的變曲率型材滾彎有限元分析方法。針對上述問題，本專利技術所述的新型變曲率型材滾彎有限元分析方法，包括以下步驟：1）??提取所要加工的型材數模的一條邊沿線作為特征曲線，進行曲率半徑分析，其中綜合考慮曲率及長度后將型材數模特征曲線平均分成n段，并得到n+1個弧長等分段點的曲率半徑；2）??分析四軸滾彎機幾何結構及運動關系，該四軸滾彎機包括上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪；在有限元分析軟件中建立滾輪與型材毛坯的數學模型并進行裝配，設置左右滾輪初始位移量；3）??進行網格劃分，接觸定義，建立型材等曲率滾彎標準靜態分析模型，對型材等曲率滾彎分析模型進行計算。將計算完成的型材等曲率網格模型進行網格模型重構，得到重構后的型材數模，再對該重構型材數模進行特征曲線曲率半徑分析，得到該左右滾輪位移量下對應的曲率半徑值；4）??不斷改變左右滾輪位移量，重復步驟3），從而得到不同左右滾輪位移量下對應的曲率半徑值，即等曲率滾彎規律；5）??根據4）中結果推導出所要加工的型材數模特征曲線的各個等分段點處曲率半徑對應的左右滾輪位移量；將各等分段點對應的左右滾輪位移量記為h1，h2，……h(n+1)；6）??將4）中得到的等曲率滾彎規律應用于變曲率型材滾彎有限元分析，過程分為n+2個標準靜態分析步：設置第一個分析步、左右滾輪運動到位移量為h1,上下滾輪暫時不動；第二個分析步、對應左右滾輪位移量從h1勻速變化到h2，上下滾輪勻速繞中心旋轉s?rad；第三個分析步、左右滾輪位移量從h2勻速變化到h3，上下滾輪勻速旋轉s?rad；依次設置后面各個分析步對應的滾輪運動狀態；第n+2個分析步、上下滾輪勻速旋轉m?rad，使型材完全從上下輪中滾出；上述s等于型材數模特征曲線等分段長度除于上滾輪最大半徑；m為確保型材完全從上下輪中滾出的上下滾輪轉角；進行網格劃分，接觸定義，建立變曲率型材滾彎分析模型并提交計算，將計算完成的型材變曲率網格模型進行網格模型重構，得到重構后的變曲率型材數模；7）將重構后的變曲率型材數模征線各等分段點曲率半徑與所要加工的型材數模上的特征曲線等分段點曲率半徑對比，誤差超過范圍的分段點處調節對應分析步的左右滾輪位移量，重新模擬計算，直至模擬結果對應的型材特征曲線曲率半徑與所要加工的型材數模特征曲線曲率半徑滿足誤差要求。采用該種變曲率型材滾彎有限元分析方法，運用有限元分析等曲率滾彎過程而得到滾彎規律，這比理論公式更加直接準確；并采用分段變曲率滾彎有限元分析使滾彎分析過程中各分段也為變曲率，從而使得分析結果更加準確，誤差更小，精度更高。附圖說明圖1為變曲率2字形型材數模示意圖，其中1為型材特征曲線；圖2為型材數模特征曲線曲率半徑分析，其中2，3……12為特征曲線弧長等分段點；圖3為各等分段點處的曲率半徑值；圖4為數控滾彎機的平面圖。其中13為左滾輪中心轉軸，14為左滾輪；15為下滾輪導向槽；16為上滾輪；17為右滾輪；18為下滾輪；圖5為型材截面尺寸圖；圖6為有限元分析裝配模型。其中19為左滾輪參考點RP4；20為左滾輪分析模型；21型材模型；22為上滾輪分析模型；23為上滾輪參考點RP1；24為下滾輪參考點RP2；25為右滾輪分析模型；26為右滾輪參考點RP3；27為下滾輪分析模型；圖7為2099-T83鋁鋰合金的力學性能參數；圖8為變曲率滾彎有限元分析完成結果圖；圖9?為型材左右滾輪上升量及滾彎后曲率半徑分布。具體實施方式現以典型鋁鋰合金2字形型材的變曲率滾彎為實施例，結合附圖，介紹基于MC4P型三維四輥數控滾彎機的2字形的新型變曲率型材滾彎有限元分析方法，包括以下步驟：1，??依據所要成形的2型材（圖1），所要加工的型材長度為1440mm，提取特征曲線1（圖1）進行曲率半徑分析（圖2）。得到11個等弧長分點的曲率半徑（圖3）。2，????分析MC4P型三維四輥數控滾彎機（圖4），上滾輪中心固定，下滾輪中心可以沿導向槽上下運動。左滾輪、右滾輪中心繞固定軸轉動。3，??根據型材截面外形（圖5），確定所有滾輪的幾何形狀，在有限元分析軟件中建立厚度為2mm，長度為1800mm殼形式的型材，滾輪采用旋轉殼，依據數控滾彎機的幾何結構，建立有限元分析中的裝配模型（圖6）。上滾輪繞RP-1轉動，下滾輪繞RP-2轉動，左滾輪中心繞RP-4轉動，右滾輪中心繞RP-3轉動。4，??輸入型材的材料模型（圖7），進行網格劃分，設置上滾輪的參考點為RP1，下滾輪參考點為RP2，左滾輪參考點為RP4，右滾輪參考點為RP3，設置上下輪與型材的接觸摩擦系數為0.02，左右滾輪與型材的摩擦忽略，進行網格劃分和接觸定義。5，??為模擬等曲率滾彎，建立標準靜態分析步，第一個分析步設置左右滾輪抬升量為34mm。6，??第二個分析步上下滾輪繞其參考點勻速旋轉10rad，型材向左移動并最終完全從上下滾輪中滾出，建立好有限元分析模型。7，??將分析模型提交計算，計算完成后對滾彎模擬完的網格狀的型材進行重構型材數模，并對重構后的型材數模特征曲線進行曲率分析，得到在左右滾輪抬升量為34mm對應的型材特征曲線曲率半徑值。8，??改變左右滾輪抬升量，重復步驟6,7從而得到左右滾輪抬升量與型材特征線曲率半徑之間的一一對應關系。9，????將得到的滾彎成形規律應用于型材的變曲率滾彎有限元分析，有限元分析中改用長度為2800mm的型材，根據步驟7中推導出圖2中等分段點2至12曲率半徑值對應的滾彎中左右滾輪抬升量分別為36.2mm，36.4?mm，37.7?mm，38.3?mm，39.1?mm，39.7?mm，?40.6?mm，39.1?mm，39.3?mm，39.2?mm，38.9本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種變曲率型材滾彎有限元分析方法，其特征在于包括以下步驟：提取所要加工的型材數模的一條邊沿線作為特征曲線，進行曲率半徑分析，其中綜合考慮曲率及長度后將型材數模特征曲線平均分成n段，并得到n+1個弧長等分段點的曲率半徑；分析四軸滾彎機幾何結構及運動關系，該四軸滾彎機包括上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪；在有限元分析軟件中建立滾輪與型材毛坯的數學模型并進行裝配，設置左右滾輪初始位移量；進行網格劃分，接觸定義，建立型材等曲率滾彎標準靜態分析模型，對型材等曲率滾彎分析模型進行計算；將計算完成的型材等曲率網格模型進行網格模型重構，得到重構后的型材數模，再對該重構型材數模進行特征曲線曲率半徑分析，得到該左右滾輪位移量下對應的曲率半徑值；不斷改變左右滾輪位移量，重復步驟3），從而得到不同左右滾輪位移量下對應的曲率半徑值，即等曲率滾彎規律；根據4）中結果推導出所要加工的型材數模特征曲線的各個等分段點處曲率半徑對應的左右滾輪位移量；將各等分段點對應的左右滾輪位移量記為h1，h2，……h(n+1)；將4）中得到的等曲率滾彎規律應用于變曲率型材滾彎有限元分析，過程分為n+2個標準靜態分析步：設置第一個分析步、左右滾輪運動到位移量為h1,上下滾輪暫時不動；第二個分析步、對應左右滾輪位移量從h1勻速變化到h2，上下滾輪勻速繞中心旋轉s?rad；第三個分析步、左右滾輪位移量從h2勻速變化到h3，上下滾輪勻速旋轉s?rad；依次設置后面各個分析步對應的滾輪運動狀態；第n+2個分析步、上下滾輪勻速旋轉m?rad，使型材完全從上下輪中滾出；上述s等于型材數模特征曲線等分段長度除于上滾輪最大半徑；m為確保型材完全從上下輪中滾出的上下滾輪轉角；進行網格劃分，接觸定義，建立變曲率型材滾彎分析模型并提交計算，將計算完成的型材變曲率網格模型進行網格模型重構，得到重構后的變曲率型材數模；7）?將重構后的變曲率型材數模征線各等分段點曲率半徑與所要加工的型材數模上的特征曲線等分段點曲率半徑對比，誤差超過范圍的分段點處調節對應分析步的左右滾輪位移量，重新模擬計算，直至模擬結果對應的型材特征曲線曲率半徑與所要加工的型材數模特征曲線曲率半徑滿足誤差要求。...

【技術特征摘要】
1.一種變曲率型材滾彎有限元分析方法，其特征在于包括以下步驟：
提取所要加工的型材數模的一條邊沿線作為特征曲線，進行曲率半徑分析，其中綜合考慮曲率及長度后將型材數模特征曲線平均分成n段，并得到n+1個弧長等分段點的曲率半徑；
分析四軸滾彎機幾何結構及運動關系，該四軸滾彎機包括上滾輪、下滾輪、左滾輪、右滾輪；在有限元分析軟件中建立滾輪與型材毛坯的數學模型并進行裝配，設置左右滾輪初始位移量；
進行網格劃分，接觸定義，建立型材等曲率滾彎標準靜態分析模型，對型材等曲率滾彎分析模型進行計算；將計算完成的型材等曲率網格模型進行網格模型重構，得到重構后的型材數模，再對該重構型材數模進行特征曲線曲率半徑分析，得到該左右滾輪位移量下對應的曲率半徑值；
不斷改變左右滾輪位移量，重復步驟3），從而得到不同左右滾輪位移量下對應的曲率半徑值，即等曲率滾彎規律；
根據4）中結果推導出所要加工的型材數模特征曲線的各個等分段點處曲率半徑對應的左右滾輪位移量；將各等分段點對應的左右滾輪位移量記為h1，h2，……h(n+1)；
將4）中得到的等曲率滾彎規律應用于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳明和，胡智華，謝蘭生，孫佳偉，王寧，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32