飛機(jī)零部件加工過程工藝有限元仿真，有人教過你嗎？
飛機(jī)零部件中有大量的沖壓件、鍛件、鑄件，這些加工過程涉及沖擊載荷、幾何非線性、接觸非線性的塑性大變形過程，Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit的非線性分析功能及顯式分析和隱式分析功能的完美結(jié)合，可獲得常規(guī)方法難以獲得的金屬成形過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場及回彈量等工藝參數(shù)，為提高工件的加工質(zhì)量、選取設(shè)備噸級(jí)、制定合理的工藝過程提供依據(jù)。
深圳市有限元科技有限公司是Abaqus軟件的一級(jí)代理商，并代理國外其他多款cae軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓(xùn)、cae軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。公司秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購買軟件或咨詢服務(wù)等請(qǐng)聯(lián)系電話：13632683051，QQ：2039363860/4006046636。
下面，有限元科技小編以某公司某沖壓件設(shè)計(jì)實(shí)例，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如下圖所示：
其中，主要設(shè)計(jì)、加工成本如下：
1、軟質(zhì)模具的設(shè)計(jì)和加工成本為20萬美元；
2、初期生產(chǎn)并修改模具的周期一般不低于12周；
3、硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)修改和加工成本為75萬美元；
4、最后產(chǎn)品試生產(chǎn)、模具方案的定型、試生產(chǎn)、修正生產(chǎn)流程直至正式生產(chǎn)的周期一般為8－9個(gè)月。
其中，硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)費(fèi)用包含在前期軟質(zhì)模具設(shè)計(jì)費(fèi)用之中，后期只計(jì)算修改模具設(shè)計(jì)的費(fèi)用。
采用Abaqus進(jìn)行數(shù)字仿真之后，設(shè)計(jì)流程如下圖所示：
修改設(shè)計(jì)流程之后，主要設(shè)計(jì)、加工成本如下：
1、軟質(zhì)模具的設(shè)計(jì)和加工成本為10萬美元；
2、初期生產(chǎn)并修改模具的周期縮短為4周；
3、硬質(zhì)模具的設(shè)計(jì)修改和加工成本為25萬美元；
4、最后產(chǎn)品試生產(chǎn)、模具方案的定型、試生產(chǎn)、修正生產(chǎn)流程直至正式生產(chǎn)的周期一般為3。5－4個(gè)月。c
5、僅設(shè)計(jì)費(fèi)用就節(jié)約了2/3，設(shè)計(jì)周期縮短為原來的1/3。
航空航天是有限元和CAE技術(shù)最早發(fā)展和應(yīng)用的領(lǐng)域，通過幾十年的發(fā)展，積累了豐富的計(jì)算分析實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但隨著生產(chǎn)加工水平的提高，對(duì)產(chǎn)品的精度、成本要求也越來越高，過去的依靠經(jīng)驗(yàn)+試驗(yàn)的方法，進(jìn)行模具制造和加工控制已越來越不能滿足工程需要。引進(jìn)數(shù)字化模擬技術(shù)，利用CAE軟件分析和優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝勢(shì)在必行。
下面通過幾個(gè)仿真案例給大家一一介紹。
鈑金成形分析——沖壓成形
Abaqus具有豐富的彈塑性本構(gòu)材料模型和各向異性材料模型，后者主要針對(duì)板材的各向異性性質(zhì)。
沖頭(沖模)的運(yùn)動(dòng)既可以用變形體也可以用剛體來模擬，各種摩擦模型和豐富的接觸算法可用來處理任意復(fù)雜的三維接觸面問題。同時(shí)，為了處理板材成形過程可能遇到的網(wǎng)格畸變問題，Abaqus還提供了網(wǎng)格自適應(yīng)算法。
鈑金成形分析——蒙皮拉伸成形
Abaqus提供了強(qiáng)大的處理幾何非線性的功能。可以模擬蒙皮拉伸成形中的局部大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)，以及復(fù)雜的接觸算法(包括剛體—?jiǎng)傮w，剛體—變形體，變形體—變形體，其中剛體表面還可以是解析剛體面)，并可可以實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)的模具反力。
鈑金成形分析——橡皮囊成形
Abaqus提供豐富的材料本構(gòu)模型，僅橡膠材料，就多達(dá)16種。同時(shí)可以很好模擬橡皮囊成形過程中的非線性問題，強(qiáng)大的接觸算法，能夠模擬任意復(fù)雜三維模型的接觸問題，以及復(fù)雜的接觸屬性包括摩擦系數(shù)，摩擦生熱等等。
鈑金成形分析——超塑成形
目前幾乎在所有的金屬材料中都發(fā)現(xiàn)了超塑現(xiàn)象，尤其以鈦合金超塑成形工藝，在航空航天上應(yīng)用更多。Abaqus提供了多種本構(gòu)模型適用于對(duì)各種超塑材料的研究，如率無關(guān)材料、率相關(guān)材料、各向異性材料和各向同性材料。
沖壓成形——反求切邊線
該模塊能夠?qū)⑶羞吘€投影到成形前的毛料上，并根據(jù)反求得到的切邊線對(duì)毛料進(jìn)行剖切，使零件特征在粗網(wǎng)格模型中得到保留。配合ABAQUS的submodel功能，快速得到切邊后零件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及厚度分布。可在后續(xù)的分析中考慮成形過程的影響。
回彈計(jì)算
由于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit分別是ABAQUS系列軟件的隱式積分和顯式積分模塊，它們構(gòu)建在同一個(gè)框架和平臺(tái)上，支持彼此之間的數(shù)據(jù)和結(jié)果的傳遞，實(shí)現(xiàn)了真正的有機(jī)結(jié)合。
因此，對(duì)于回彈問題，ABAQUS可以準(zhǔn)確計(jì)算回彈量，以及回彈后的殘余應(yīng)力?？紤]不同工藝條件下的回彈量，分別進(jìn)行模擬，確定最佳工藝過程。
回彈修模
零件成形誤差即成形后零件型面與零件設(shè)計(jì)型面之間的偏差，是一個(gè)與空間坐標(biāo)位置相關(guān)的場變量。根據(jù)成形誤差調(diào)整前一次分析模型中的模具節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，生成新的模具型面；根據(jù)調(diào)整后的模具型面自動(dòng)建立新的分析模型。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回彈補(bǔ)償修模。
FormingFX模塊
成形過程(如殘余應(yīng)力等)極大影響結(jié)構(gòu)后繼分析，如碰撞，疲勞壽命分析等，航空零部件中存在大量的鈑金件，成形后的部件存在顯著的硬化、局部變薄和殘余應(yīng)力等，考慮成形過程的影響，從而使結(jié)構(gòu)分析更符合實(shí)際物理現(xiàn)象。
目前存在多種有效的仿真工具可以分別模擬鈑金成形和結(jié)構(gòu)分析，幾乎沒有工具可以無縫集成鈑金成形和結(jié)構(gòu)分析(即在結(jié)構(gòu)分析中考慮成形的影響)，通常，成形分析需要非常精細(xì)的網(wǎng)格，而后繼結(jié)構(gòu)分析則使用相對(duì)較粗糙網(wǎng)格，成形仿真和結(jié)構(gòu)分析（碰撞、疲勞壽命分析、NVH分析等）往往是利用許多不同類型的軟件實(shí)現(xiàn)，這就涉及到數(shù)據(jù)的共享和重復(fù)利用，從工程應(yīng)用角度，各種不同類型的軟件必然會(huì)使用不同的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格形狀和單元積分公式。
FormingFX模塊采用高效，健壯的搜索算法和映射技術(shù)，可以將保存在AbaqusODB或DYNAIN文件（源文件）中的成形結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析文件中，源文件中讀出成形分析結(jié)果，然后寫入結(jié)構(gòu)分析文件（abaqusinp文件）。
高速加工
隨著現(xiàn)代飛機(jī)高速、高機(jī)動(dòng)性能要求的不斷提高，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了較大的變化。從零件結(jié)構(gòu)上看，為了減輕重量，提高飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)動(dòng)性能，新一代戰(zhàn)機(jī)盡可能地采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由于整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)雜，形狀精度要求很高，其制造過程中最突出問題之一是存在加工變形。引起加工變形的原因很多，其中過大的切削力將直接影響加工工藝系統(tǒng)的變形、刀具磨損、加工精度和加工質(zhì)量等是引起加工變形的重要因素之一。
而在高速切削范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而降低，因此高速加工航空整體結(jié)構(gòu)件是減小加工變形的有效手段。
但是，高速切削包含復(fù)雜的熱力、機(jī)械及其耦合現(xiàn)象，是一個(gè)復(fù)雜的高度非線性問題。
如果單純依靠試驗(yàn)手段，不但耗時(shí)費(fèi)力，增加生產(chǎn)成本，而且加工過程中的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等也很難準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲知，而切削加工模擬則可以在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)工件和刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的全過程，動(dòng)態(tài)顯示熱流、相變、溫度和應(yīng)力等分布，克服了試驗(yàn)等研究方式的缺陷，成為研究高速切削加工的有效方法。
采用Abaqus/explicit求解器，支持完全熱固耦合，單元分離準(zhǔn)則多樣，能夠模擬各種接觸。
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