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航天航空

飞机零部件加工过程工艺仿真

文字:[大][中][小] 2016-6-23    浏览次数:347    

航空航天行业特点


航空航天工业是国家的技术前沿和骨干行业,其产品开发和制造技术水平,不仅是质量和效率的保障,更是国家实力和形象的象征。当前,数字化技术已经成为全球航空航天工业产品开发和生产的最有力手段和企业的核心竞争能力。在国内,CAD/CAM的成功应用也证明了数字化技术的巨大价值。所谓CAE技术,也就是通过数字化手段,分析验证产品的性能、安全性和可靠性,是产品研发和制造数字化技术的核心。Abaqus是国际著名的CAE软件,它以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。航空航天工业是Abaqus最重要的应用领域之一,波音、空中客车、洛克希德-马丁等长期合作的用户。对航空航天很多复杂和特殊的问题,如疲劳断裂、复合材料损伤、起落架柔性机构、接触连接、金属塑性等,在所有的CAE软件中,Abaqus是最有优势的。


航空航天飞行器高精尖的工作性能决定了结构设计及其复杂。飞行任务的特殊性决定了工作环境的恶劣。因此应用CAE分析软件要求可靠、安全稳定、功能适用和针对航空航天行业,具有丰富的航空航天行业应用经验等。Abaqus以其卓越的产品质量得到了业界的广泛认可。除了通过ISO9001认证和Nuclear QA认证之外,还被美国食品药品管理局(FDA)作为医疗器械分析的推荐分析工具。


就我国目前状况,国家职能部门正在大力推进航空航天工业数字化工程,目的在于通过整合和充分利用现有条件,借鉴国内外先进的数字化技术和管理模式,开展技术攻关,基本打通飞行器研制的数字化设计、试验、制造和管理生产线,初步创建数字化工作、技术和保障基本体系,形成全机数字样机研制和典型数字化部件的工程研制能力,大幅度地缩短型号研制周期,减少研制费用,降低生产成本,提高产品质量,增强竞争力。在此基础上,竟以补充和完善数字化生产线和数字化体系,具备在新一代飞行器研制生产中实施数字化设计、试验、制造和管理的工程能力,从根本上改变现行的设计、试验、制造和管理模式、手段和方法,实现数字化生产方式的变革。


实现数字化后,在设计阶段,数字样机将取代实物样机,数字化试验将成飞行器系统的主要设计方式。由于设计上的数字化,可以实现快速多学科、多目标的优化,设计出最佳的飞行器方案,建立起世界一流的虚拟开发环境。制造业数字化是航空航天工业信息化的重要发展方向,是信息化带动工业化的重要举措,是全面振兴行业的重要内容。飞行器制造业数字化工程的实施,将有力推动我国传统制造业生产方式的变革,从根本上改变我国现行的飞行器设计、制造、试验和管理模式。从方法和手段入手,实现我国航空航天事业的跨越发展。


航空航天是Abaqus软件的重要应用领域,该行业的收入约占Abaqus公司年度总收入的三分之一。目前所有大的飞机制造企业如波音、空中客车、洛克希德—马丁、NASA、Los Alamos 和Sandia国家实验室,中国航空601、602、603、611、624、625等,航天1、2、3、4、6院等,以及成飞等,都是Abaqus软件的重要用户。波音更是将其专利的VCCT(虚拟裂纹闭合技术)嵌入Abaqus软件中,进行断裂问题的求解。Abaqus软件公司始终注重航空航天领域用户和技术的发展,近期很多研发方面的决策都是针对航空航天领域的,如大规模杆板模型的发展、断裂力学和气动弹性分析和Abaqus对CATIA的嵌入式产品(Abaqus/AFC)等。


行业成功案例


1.1 飞机零部件加工过程工艺仿真


飞机零部件中有大量的冲压件、锻件、铸件,这些加工过程涉及冲击载荷、几何非线性、接触非线性的塑性大变形过程,Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit的非线性分析功能及显式分析和隐式分析功能的完美结合,可获得常规方法难以获得的金属成形过程中的温度场、应力场、应变场及回弹量等工艺参数,为提高工件的加工质量、选取设备吨级、制定合理的工艺过程提供依据。


                                几何模型                                            钣金成形起皱现象的模拟


以某公司某冲压件设计实例,传统的设计流程如下图所示:


某冲压件的传统设计流程


其中,主要设计、加工成本如下:


1. 软质模具的设计和加工成本为20万美元;


2. 初期生产并修改模具的周期一般不低于12周;


3. 硬质模具的设计修改和加工成本为75万美元;


4. 最后产品试生产、模具方案的定型、试生产、修正生产流程直至正式生产的周期一般为8-9个月。


其中,硬质模具的设计费用包含在前期软质模具设计费用之中,后期只计算修改模具设计的费用。


以某公司某冲压件设计实例,传统的设计流程如下图所示:


                            某冲压件的传统设计流程


其中,主要设计、加工成本如下:


1. 软质模具的设计和加工成本为20万美元;


2. 初期生产并修改模具的周期一般不低于12周;


3. 硬质模具的设计修改和加工成本为75万美元;


4. 最后产品试生产、模具方案的定型、试生产、修正生产流程直至正式生产的周期一般为8-9个月。


其中,硬质模具的设计费用包含在前期软质模具设计费用之中,后期只计算修改模具设计的费用。


采用Abaqus进行数字仿真之后,设计流程如下图所示:



引入Abaqus后某冲压件的设计流程


修改设计流程之后,主要设计、加工成本如下:


1. 软质模具的设计和加工成本为10万美元;


2. 初期生产并修改模具的周期缩短为4周;


3. 硬质模具的设计修改和加工成本为25万美元;


4. 最后产品试生产、模具方案的定型、试生产、修正生产流程直至正式生产的周期一般为3.5-4个月。


5. 仅设计费用就节约了2/3,设计周期缩短为原来的1/3。


航空航天是有限元和CAE技术最早发展和应用的领域,通过几十年的发展,积累了丰富的计算分析实践经验。但随着生产加工水平的提高,对产品的精度、成本要求也越来越高,过去的依靠经验+试验的方法,进行模具制造和加工控制已越来越不能满足工程需要。引进数字化模拟技术,利用CAE软件分析和优化生产制造工艺势在必行。


1.1.1 钣金成形分析——冲压成形


Abaqus具有丰富的弹塑性本构材料模型和各向异性材料模型,后者主要针对板材的各向异性性质。冲头(冲模)的运动既可以用变形体也可以用刚体来模拟,各种摩擦模型和丰富的接触算法可用来处理任意复杂的三维接触面问题。同时,为了处理板材成形过程可能遇到的网格畸变问题,Abaqus还提供了网格自适应算法。



1.1.2 钣金成形分析——蒙皮拉伸成形


Abaqus提供了强大的处理几何非线性的功能。可以模拟蒙皮拉伸成形中的局部大位移、大转动,以及复杂的接触算法(包括刚体—刚体,刚体—变形体,变形体—变形体,其中刚体表面还可以是解析刚体面),并可可以实时计算相应的模具反力。



1.1.3 钣金成形分析——橡皮囊成形


Abaqus提供丰富的材料本构模型,仅橡胶材料,就多达16种。同时可以很好模拟橡皮囊成形过程中的非线性问题,强大的接触算法,能够模拟任意复杂三维模型的接触问题,以及复杂的接触属性包括摩擦系数,摩擦生热等等。


 

1.1.4 钣金成形分析——超塑成形


目前几乎在所有的金属材料中都发现了超塑现象,尤其以钛合金超塑成形工艺,在航空航天上应用更多。Abaqus提供了多种本构模型适用于对各种超塑材料的研究,如率无关材料、率相关材料、各向异性材料和各向同性材料。    

 


1.1.5 钣金成形分析——弯管成形


弯管成形有冷加工和热加工两种,Abaqus具有强大的热固耦合分析功能,包括:稳态热传导和瞬态热传导分析,顺序耦合热固分析,完全耦合热固分析,强制对流和辐射分析,热界面接触,热电耦合等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型。同时,此类成形涉及模具与加工件之间复杂的接触关系,并处理由于磨损表面单元的玻璃,以及弯管多次成形问题,都能够在Abaqus中得到很好的解决方案。



 

1.1.6 钣金成形分析——型材拉弯成形


Abaqus作为通用有限元软件,具有丰富的单元类型和本构模型。对于型材拉弯成形,不仅可以建立壳单元模型,同时可以建立实体单元模型。可以模拟拉弯成形过程中,夹具两端的大变形和大转动。



1.1.7 钣金成形分析——落锤成形


落锤工艺复杂,成本高,生产周期长。对于复杂零件,可能还需要制作过渡模。经过多次落锤,退火过程,才能得到用户需要的零件尺寸。利用Abaqus可以方便模拟整个工艺过程,确定最优化的成形工艺,大大降低生产成本,缩短产品开发周期。



1.1.8 钣金成形分析——热成形/时效成形


Abaqus具有强大的热固耦合分析功能,包括:稳态热传导和瞬态热传导分析,顺序耦合热固分析,完全耦合热固分析等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型。Abaqus丰富的材料蠕变模型,可以很使得用户方便的进行失效成形的模拟。


   


1.1.9 冲压成形反求切边线


该模块能够将切边线投影到成形前的毛料上,并根据反求得到的切边线对毛料进行剖切,使零件特征在粗网格模型中得到保留。 配合ABAQUS的submodel功能,快速得到切边后零件内部的应力、应变及厚度分布。可在后续的分析中考虑成形过程的影响。


 

 

1.1.10 回弹计算


由于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit分别是ABAQUS系列软件的隐式积分和显式积分模块,它们构建在同一个框架和平台上,支持彼此之间的数据和结果的传递,实现了真正的有机结合。因此,对于回弹问题,ABAQUS可以准确计算回弹量,以及回弹后的残余应力。考虑不同工艺条件下的回弹量,分别进行模拟,确定最佳工艺过程。  


   


1.1.11 回弹修模


零件成形误差即成形后零件型面与零件设计型面之间的偏差,是一个与空间坐标位置相关的场变量。根据成形误差调整前一次分析模型中的模具节点坐标,生成新的模具型面;根据调整后的模具型面自动建立新的分析模型。从而实现自动回弹补偿修模。



 


1.1.12 FormingFX模块


成形过程(如残余应力等)极大影响结构后继分析,如碰撞,疲劳寿命分析等,航空零部件中存在大量的钣金件,成形后的部件存在显著的硬化、局部变薄和残余应力等,考虑成形过程的影响,从而使结构分析更符合实际物理现象。


目前存在多种有效的仿真工具可以分别模拟钣金成形和结构分析,几乎没有工具可以无缝集成钣金成形和结构分析(即在结构分析中考虑成形 的影响),通常,成形分析需要非常精细的网格,而后继结构分析则使用相对较粗糙网格,成形仿真和结构分析(碰撞、疲劳寿命分析、NVH分析等)往往是利用许多不同类型的软件实现,这就涉及到数据的共享和重复利用,从工程应用角度,各种不同类型的软件必然会使用不同的网格密度,网格形状和单元积分公式。


FormingFX模块采用高效,健壮的搜索算法和映射技术,可以将保存在Abaqus ODB或DYNAIN文件(源文件)中的成形结果映射到结构分析文件中,源文件中读出成形分析结果,然后写入结构分析文件(abaqus inp文件)。  


   


结果映射——等效塑性应变


1.1.13 高速加工


随着现代飞机高速、高机动性能要求的不断提高,飞机的结构设计发生了较大的变化。从零件结构上看,为了减轻重量,提高飞机的结构强度和机动性能,新一代战机尽可能地采用整体结构设计。由于整体结构构件复杂,形状精度要求很高,其制造过程中最突出问题之一是存在加工变形。引起加工变形的原因很多,其中过大的切削力将直接影响加工工艺系统的变形、刀具磨损、加工精度和加工质量等是引起加工变形的重要因素之一。而在高速切削范围内,切削力随切削速度的增加而降低,因此高速加工航空整体结构件是减小加工变形的有效手段。


但是,高速切削包含复杂的热力、机械及其耦合现象,是一个复杂的高度非线性问题,如果单纯依靠试验手段,不但耗时费力,增加生产成本,而且加工过程中的温度、应力、应变等也很难准确实时获知,而切削加工模拟则可以在计算机中再现工件和刀具相对运动的全过程,动态显示热流、相变、温度和应力等分布,克服了试验等研究方式的缺陷, 成为研究高速切削加工的有效方法。


采用Abaqus的explicit求解器,支持完全热固耦合,单元分离准则多样,能够模拟各种接触。


 

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