航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟

航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟（精选2篇）

篇1：航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟

航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟

对航空发动机燃烧室薄壁机匣建立了激光焊接的数值分析模型.基于Sysweld的`焊接分析功能,用数值方法研究了燃烧室薄壁机匣环缝焊接时引起的焊接变形,模拟了薄壁机匣激光焊接时温度场、应力场的分布以及焊接变形情况.同时对焊接仿真中的热源问题从数学上进行了分析和探讨,在此基础上结合整个薄壁机匣的实际工作状况对其仿真结果进行了定性分析,验证了其分析方法的可行性.

作 者：汪苏 王春侠 Wang Su Wang Chunxia 作者单位：北京航空航天大学机械工程及自动化学院刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(3)分类号：V2关键词：薄壁机匣 激光焊接 温度场 应力场变形

篇2：航空薄壁零件数值模拟优化分析

对航空航天产品而言, 为减轻其重量, 应提高物体的结构强度, 进一步提升其性能, 广泛地使用薄壁零件, 如发动机的涡轮叶片, 机翼结构等部件。航天薄壁件一般外形配合要求比较高, 零件外部尺寸相比于截面尺寸较大、加工预留的余量较大、相对刚度比较低、精度要求较高。这就对航天薄壁件的加工提出较高要求。本文针对薄壁零件的铣削加工时易产生变形为研究点, 对薄壁零件进行有限元数值模拟变形分析, 对加工过程中变形的预测方法和数控补偿策略进行研究。

1 薄壁零件的有限元分析与控制方案

由于薄壁零件刚度较差, 在切削力的作用下, 易产生加工变形, 造成壁厚不等和尺寸超差。过去, 有关切削加工的有限元模拟技术主要集中在二元切削的研究, 其成果在一定程度上为控制铣削残余应力的产生和优化加工工艺提供了理论依据。但由于无法预测零件加工的整体变形, 二元铣削模拟结果的实际应用存在一定的局限性。因此, 为了从根本上保证薄壁件的加工精度, 有必要进行数控铣削加工变形产生机理的理论研究, 通过有限元模拟技术比较准确地预测工件的加工变形, 进而采取有效的控制措施来预防薄壁件的加工变形。

1.1 基于PROE的实体建模

为了简化分析研究工作, 取其中的一面加以分析, 为了仿真准确, 建模时不能忽略己加工表面和待加工表面的壁厚差。

Pro/Engineer软件是美国PTC公司领导研发的产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能于一身的三维建模及其数控加工软件。对薄壁产品进行实体建模时, 需要根据产品实际尺寸和结构关系, 建立零件的三维实体模型。在薄壁零件铣削加工的有限元分析中, 有限元分析模型的建立是关键的一步。选取图1所示的框类薄壁零件作为研究对象, 工件长200 mm, 宽100mm, 高70 mm, 薄壁厚度3 mm, 工件材料为2A12铝合金, 其力学性能参数E=71.3Gpa, 泊松比μ=0.33。因为本文考察的是薄壁零件由于发生弹性变形所产生的加工误差, 故不考虑材料的塑性变形。薄壁零件实体建模如图1所示。

1.2 有限元网格划分

由于垂直于Z轴的各处截面形状相同, 采用Brick 8node45八节点六面体单元以Volume Sweep的方式对薄壁零件进行有限元网格划分。网格单元的密度大小对分析结果的近似程度有一定影响, 网格划分密度越大, 分析的结果就越精确。对于图1所示的薄壁, 由于其最终切削厚度只有3 mm, 因此在壁厚方向上需要有足够网格密度才能保证分析结果的精确, 也就是说在此壁厚方向上至少需有3个网格单元, 于是取Brick8node45四节点平面单元的边长为5 mm, Z轴方向即切深方向分10等份, 这样划分后获得3600个单元, 共6678个节点, 所获得的有限元离散模型如图2所示。

1.3 添加约束条件

由于薄壁零件实际加工时采用真空吸盘吸附式夹紧, 所以分离薄壁面采用的约束方式为:约束底面和两端面节点的所有自由度。

1.4 加载方式与材料的去除

在现阶段, 虽然一些仿真软件 (VNUA仿真软件、宇龙仿真软件) 能够真实再现实际加工中刀具的旋转、进给复合运动, 但不能反映出实际的受力和变形。必须找出一种模拟加工过程的方法, 既便于分析计算, 又能反映出实际的受力和变形, 所以加载过程比较关键。以双刃立铣刀铣削加工为例, 由于刀具转速远大于进给速度, 所以可以假定在某一进给位置, 刀具轴线固定不动, 而刀齿沿加工表面由下向上移动, 直至切出工件, 即在某一瞬时对框壁可以施加沿螺旋线方向的动态变化的切削载荷。也就是说, 铣削过程中刀具旋转运动与进给运动可以实现分解, 这样, 可以简化加工过程。

切削加工过程中, 铣刀与被切削材料之间的相互作用, 可以通过动态的切削力载荷形式表示。当刀具进给到某一位置时, 铣刀的刀齿开始由下向上切削, 其过程可以离散为线载荷对工件的作用。由于在有限元模型中, 对于阶次较低的单元, 可以按静力等效原则, 这样就可以简化为将载荷分配在各个节点上。在实际模拟时, 通过节点加力载荷来完成切削力施加。

铣削过程是很复杂的, 下面运用ANSYS有限元分析软件, 对一个位置的载荷作用过程进行仿真。设轴向切削深度为24mm, 径向切深为0.4 mm, 转速为20 000 r/min, 由铣削力计算公式计算出铣削力大小为200 N。图3、图4和图5显示了载荷在不同位置时的工件变形情况。

从图7可以看出, 沿着左壁y方向的变形是和零件有关系的y=0和y=50时, 薄壁零件的位移变形较大, 而当y=25时, 薄壁零件的位移变形较小, 由于施加约束和中间薄板的支撑, 所以才会出现此类状况, 变形类似于抛物线变化。

根据上述分析, 可以发现, 在薄壁框体铣削加工中, 由于切削力的作用, 框壁会发生变形, 变形量沿高度方向按抛物线逐渐增大, 变形量在一定限度内可近似于直线。

2 数控加工变形误差控制、补偿方案

通过有限元分析, 可以指导选择合理的切削用量。在精加工时, 如果在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加一个偏摆, 补偿因变形而产生的让刀量, 则可基本消除让刀误差。薄壁零件数控加工变形误差补偿方案如图8所示。当知道零件变形引起的加工误差后, 就可以计算刀位补偿量, 修正原始数控加工刀位轨迹。

3 结语

利用Pro/E和Ansys软件建立薄壁零件的有限元模型, 从理论上分析了框类薄壁零件的上厚下薄壁厚超差的原因。加工变形沿框壁高度方向呈抛物线变化, 壁口处变形量最大。加工变形在框壁长度中点处最大, 两端点处几乎为零, 框壁的三维变形似马鞍形。并对有限元分析的加工变形进行数控加工偏摆补偿, 可以将大部分让刀残余材料切除, 从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。

参考文献

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