殘余應(yīng)力作用下復(fù)雜曲面零件的變形分析、預(yù)測與實驗研究.pdf

1、傳統(tǒng)切削加工不考慮切削加工的物理過程，認(rèn)為刀具運(yùn)動的包絡(luò)面就是加工后零件的最終幾何形狀。而實際切削加工是一個復(fù)雜的物理過程，加工過程中工件內(nèi)部的應(yīng)力場、溫度場、金屬塑性流動和相變等都會影響零件的最終幾何形狀。此類由于加工過程中物理效應(yīng)產(chǎn)生的加工后零件幾何形狀和刀具運(yùn)動包絡(luò)面的偏差稱為加工變形。加工變形產(chǎn)生的原因包括加工過程中表面殘余應(yīng)力的生成、基底殘余應(yīng)力的釋放、切削力、切削熱、切削過程中工件的剛度改變、裝夾方式和夾緊力等等。近年來，隨

2、著大尺度曲面零件和薄壁件在船舶海洋、航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，加工變形現(xiàn)象逐漸得到重視。對于海洋平臺上動力定位系統(tǒng)中的大尺度調(diào)距槳零件而言，表面加工殘余應(yīng)力的生成和基底殘余應(yīng)力的釋放是其加工變形的重要原因之一。對此類變形的建模和分析是控制此類變形的基礎(chǔ)。為此，本文對調(diào)距槳零件等大尺度曲面類零件的殘余應(yīng)力相關(guān)加工變形的建模和仿真方法進(jìn)行了研究，主要工作如下：
　　對表面加工殘余應(yīng)力引起的加工變形的仿真方法進(jìn)行了研究。針對國際上現(xiàn)有方法

3、占用計算資源多，運(yùn)行效率低，無法滿足大尺度調(diào)距槳零件加工變形計算需要的缺點，提出了一種表面加工殘余應(yīng)力引起加工變形的新預(yù)測方法。通過推導(dǎo)含有殘余應(yīng)力的彈性體變形的基本微分方程，提出了等效變形力的概念，將殘余應(yīng)力場作用下的復(fù)雜變形轉(zhuǎn)化為等效力作用下的彈性變形，建立了大尺度曲面零件變形預(yù)測的有效數(shù)值計算方法，并證明了殘余應(yīng)力的變形效應(yīng)的等價。采用張量方法和微分幾何知識對復(fù)雜曲面零件的表面加工殘余應(yīng)力場進(jìn)行了建模分析，建立了等效面力和邊力的計

4、算方法。該計算方法可以利用CAD模型中的加工表面幾何信息，完成等效變形力的計算。
　　采用C＃語言和UG/Open API接口開發(fā)了表面加工殘余應(yīng)力引起加工變形的專用計算插件軟件SPDCT（Surface Processing Distortion Calculation Tool）。該軟件可以利用工件CAD模型中的加工表面幾何信息，完成等效面力和邊力的計算，并將其施加到Abaqus的INP模型文件，利用Abaqus軟件的功能完成

5、后續(xù)變形分析。利用SPDCT插件軟件，完成了平面和曲面工件的加工變形預(yù)測。其中平面工件的預(yù)測過程說明E.Brinksmeier的源應(yīng)力法可以看成新預(yù)測方法在加工表面為平面并且表面加工殘余應(yīng)力均勻分布情況下的特例。在曲面工件的仿真分析中，新預(yù)測方法使用映射法1/58的節(jié)點和1/65的單元就完成了同樣的變形預(yù)測任務(wù)，不僅節(jié)省了計算資源，而且使更大尺度曲面零件的變形預(yù)測成為了可能。
　　采用文中所提出的表面加工殘余應(yīng)力引起加工變形的新預(yù)

6、測方法，實現(xiàn)了大尺度調(diào)距槳零件的表面噴丸變形預(yù)測，并進(jìn)行了實驗驗證。采用基于源應(yīng)力法的殘余應(yīng)力標(biāo)定方法標(biāo)定了實驗用大型噴丸機(jī)在鎳鋁青銅材料表面產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力場。利用槳葉CAD模型中的幾何信息和標(biāo)定出的殘余應(yīng)力場，對大尺度調(diào)距槳零件的加工變形進(jìn)行了預(yù)測。通過對比分析預(yù)測結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，對新方法的有效性進(jìn)行了驗證。
　　對基底殘余應(yīng)力（毛坯殘余應(yīng)力）釋放引起的加工變形的預(yù)測方法進(jìn)行了研究。提出了一種殘余應(yīng)力釋放引起加工變形的新預(yù)測

7、方法。新方法將殘余應(yīng)力釋放和再平衡引起的復(fù)雜變形等效成等效變形力作用下的簡單彈性變形。開發(fā)了Abaqus軟件的插件軟件對新方法進(jìn)行了實現(xiàn)。相比于原有方法，新方法只需加工表面處的殘余應(yīng)力場二維分布即可完成運(yùn)算，降低了毛坯基底殘余應(yīng)力場測量和建模的難度。
　　采用文中所提出的基底殘余應(yīng)力釋放引起加工變形的新預(yù)測方法，完成了典型零件的殘余應(yīng)力釋放相關(guān)加工變形預(yù)測。利用裂紋柔度法和輪廓法兩種方法對毛坯基底殘余應(yīng)力場進(jìn)行了建模。利用毛坯殘余