導(dǎo)語(yǔ)：航空鈑金模具設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：采用有限元分析算法來設(shè)計(jì)鈑金模具，重點(diǎn)解決凸凹模問題，較好解決拉深中的斷裂和起皺，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鈑金模具；有限元；設(shè)計(jì)

在航空制造領(lǐng)域，鈑金零部件應(yīng)用非常廣泛。鈑金零部件一般包括蒙皮類、梁類、框肋類和壁板類等幾大類。鈑金零部件是飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)中最重要和最關(guān)鍵的零部件，大約占飛機(jī)所有零部件總數(shù)的50%以上。在航空制造過程中，鈑金零部件由于具有質(zhì)量好和成本低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比例越來越高。由于航空制造業(yè)的特殊性，鈑金零部件體積一般都非常大，形狀多以自由曲面等復(fù)雜形狀居多，導(dǎo)致設(shè)計(jì)及數(shù)控加工的難度倍增，這也一定程度決定了鈑金模具的設(shè)計(jì)周期非常長(zhǎng)和設(shè)計(jì)難度非常大。如何提高鈑金模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低設(shè)計(jì)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率，是擺在鈑金模具設(shè)計(jì)工程師面前的一大難題。在飛機(jī)鈑金模具設(shè)計(jì)中，具有鈑金零部件種類繁多并且形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，一般生產(chǎn)批量非常小和批次多，且隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)鈑金零部件自由曲面和形狀不規(guī)則的所占比例越來越高，這就導(dǎo)致了鈑金模具設(shè)計(jì)工程師工作任務(wù)非常重。目前的鈑金模具設(shè)計(jì)技術(shù)與達(dá)到實(shí)用化水平還有很大差距[1]，鈑金模具設(shè)計(jì)的很多瓶頸問題還未攻克。

1有限元分析簡(jiǎn)介

有限元分析最初是應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的[2]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元分析算法由于其效率高的優(yōu)點(diǎn)幾乎應(yīng)用于所有的科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域，是當(dāng)今工程界應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值分析算法，它具有比較好的通用性和有效性，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域也應(yīng)用十分廣泛。有限元分析是基于變分原理的一種求解數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值計(jì)算方法，采用的基本數(shù)學(xué)思想是將連續(xù)的求解域離散成為一組有限單元的組合體，這些組合體能無(wú)限逼近求解域，找到最優(yōu)解。有限元分析的計(jì)算步驟分為3步：1）預(yù)處理。根據(jù)具體的工程問題要定義求解模型，一般包括這些方面：定義幾何區(qū)域、定義單元類型、定義單元的材料屬性、定義單元的幾何屬性、定義單元的連通性、定義單元的基函數(shù)、定義邊界條件、定義載荷。2）求解過程。求解的原理是采用加權(quán)殘值和泛函極值等兩種方法，利用數(shù)值離散技術(shù)，將單元封裝到整個(gè)離散域的總矩陣方程中，封裝是在相鄰的單元節(jié)點(diǎn)完成的，狀態(tài)變量及導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性是建立在上面的節(jié)點(diǎn)處，總矩陣方程的求解可以用直接法和迭代法兩種，求解結(jié)果是單元節(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的無(wú)限近似值。3）求解值的評(píng)價(jià)。要對(duì)所有的解依據(jù)科學(xué)的準(zhǔn)則進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，對(duì)所有解進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)是為了后面工程設(shè)計(jì)中更好地應(yīng)用這些結(jié)果。

2鈑金模具快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

航空鈑金模具數(shù)學(xué)建模的思想是先根據(jù)鈑金零部件的幾何屬性來確定型面曲面[3]，然后再根據(jù)曲面分割參數(shù)化后的實(shí)體模型（實(shí)體模型是根據(jù)鈑金零部件的曲面輪廓進(jìn)行參數(shù)化變換來的）導(dǎo)出模具的模體。鈑金零部件在拉深時(shí)，尤其是球型類的零部件，毛坯會(huì)有塑性變形發(fā)生，當(dāng)最開始拉深時(shí)自由表面會(huì)非常大，這個(gè)自由表面會(huì)隨著凸模的下降自動(dòng)減小，在變形過程中受到的應(yīng)力也會(huì)不斷地變化，毛坯中的徑向力為拉應(yīng)力，而周邊的周向應(yīng)力則會(huì)在凹模圓角附近變?yōu)閴簯?yīng)力，毛坯中心則從法蘭部分到毛坯的中心由壓應(yīng)力不斷地轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。由于受到的應(yīng)力不斷地變化，而且這些應(yīng)力的變化是非線性的，這些應(yīng)力的變化數(shù)學(xué)理論支撐較少，大多依靠航空制造企業(yè)的機(jī)械工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷，這就導(dǎo)致了鈑金零部件在變形過程中容易發(fā)生破裂和起皺，嚴(yán)重影響到飛機(jī)鈑金零部件的機(jī)械加工質(zhì)量，大幅降低了生產(chǎn)效率，航空制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也隨之弱化。在本文分析的鈑金模具快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，首先要對(duì)設(shè)計(jì)中重要的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究，毛坯料的直徑和拉深系數(shù)的計(jì)算、壓力中心線的基準(zhǔn)平面的計(jì)算以及異形拉深件成形的關(guān)鍵參數(shù)研究。在異形拉深件的成形過程中，主要研究的參數(shù)包括毛坯尺寸、凸凹模圓角、拉深高度和壓邊力等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。異形件以及數(shù)量眾多的復(fù)雜曲面鈑金零部件一般由很多曲面組成，形狀復(fù)雜，數(shù)學(xué)建模困難，毛坯尺寸的計(jì)算用人工方式就已經(jīng)非常困難了，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率非常低下，而利用有限元分析方法就非常方便高效，有限元分析能夠?qū)?fù)雜的薄壁類鈑金件的曲面進(jìn)行展開，這樣就能通過反向計(jì)算來計(jì)算毛坯的尺寸。而對(duì)于凸凹模圓角，由于不同的金屬材料抗拉強(qiáng)度高低不同，對(duì)于抗拉強(qiáng)度較低的金屬材料，過小的凹模圓角就會(huì)非常容易把毛坯材料拉裂，而凸模和毛坯材料如果接觸部分太小的話，則會(huì)非常容易起皺，所以要適當(dāng)?shù)卦黾油鼓５膱A角半徑就可以大幅降低起皺的概率和減輕起皺的程度。圓角半徑的選擇必須科學(xué)，過大或者過小都將會(huì)出現(xiàn)問題，要么拉裂要么起皺，會(huì)嚴(yán)重制約鈑金零部件模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)的效率。異形拉深件在拉深成形過程中，都會(huì)伴隨著材料變薄的過程，所以壓邊力對(duì)成形過程至關(guān)重要，要在盡量保證鈑金零部件滿足質(zhì)量要求的前提下盡可能地減小壓邊力，設(shè)計(jì)出合理的適當(dāng)小的壓邊力能夠防止材料變薄的嚴(yán)重程度，減小材料破裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品合格率。有限元模型的建立過程：異形鈑金件一般毛坯的尺寸都非常大，為了保證有限元分析的計(jì)算精度，對(duì)于網(wǎng)格的劃分要盡可能地密集，這樣就會(huì)消耗非常多的計(jì)算資源，同樣也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的大幅增加，所以為了提高工作效率，在保證模擬計(jì)算質(zhì)量的前提下，對(duì)毛坯只建立部分的模型，這樣可以大幅提高計(jì)算效率。通常情況下，異形拉深鈑金件在機(jī)械加工中容易底部破裂導(dǎo)致鈑金零部件的產(chǎn)品合格率偏低，機(jī)械加工質(zhì)量不高，效率低下，大幅增加機(jī)械加工的成本。由于鈑金零部件在成形過程中通常會(huì)有較大的形變，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接相關(guān)，所以在每個(gè)小單元的計(jì)算上采用縮減線性積分的算法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，變形劇烈的區(qū)域通常要?jiǎng)澐州^多的網(wǎng)格，一般情況下在凹模圓角處毛坯的網(wǎng)格要多于3個(gè)，變形程度不嚴(yán)重的區(qū)域可以劃分較少的網(wǎng)格。通過以上分析，異形鈑金零部件在沖壓成形模擬分析中，對(duì)于凸凹模的設(shè)計(jì)加工非常重要，實(shí)驗(yàn)過程中，要去除毛坯件的邊緣毛刺，避免成形過程中發(fā)生應(yīng)力太過集中導(dǎo)致的破裂，摩擦的影響對(duì)異形鈑金零部件也是非常重要的，可以采用潤(rùn)滑劑涂在毛坯件的邊緣和在表面覆蓋潤(rùn)滑薄膜來保證摩擦力的分布均勻。

3結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元分析數(shù)學(xué)工具，來解決鈑金模具設(shè)計(jì)問題，通過實(shí)驗(yàn)分析，本文方法具有較高的可靠性和高效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王大斌，朱文華，魏丕光.基于知識(shí)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（9）：42-44.

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作者:劉金時(shí) 單位:沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司