双曲度蒙皮纵向拉形过程模拟技术研究

顾伟,伍惠,金海霞,彭静文,李卫东,万敏

(1.成都飞机工业公司制造工程部,成都610092; 2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191)

双曲度蒙皮纵向拉形过程模拟技术研究

顾伟1,伍惠1,金海霞2,彭静文2,李卫东2,万敏2

(1.成都飞机工业公司制造工程部,成都610092; 2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191)

目的 双曲度蒙皮主要通过可实现曲夹钳的纵向拉形方法成形,通过研究双曲率蒙皮纵拉过程模拟技术,对拉形机夹钳加载轨迹进行优化。方法 主要针对蒙皮纵向拉形模拟中,板料在拉形机夹钳中的装夹和夹钳加载轨迹的设计等关键技术问题进行研究,给出了合理的处理方法,建立了相应的模型。结果 应用有限元仿真软件进行仿真验证,并通过改变拉伸量和补拉量,对成形模拟结果进行了对比,优化了夹钳轨迹。结论 通过拉形加载优化,提高了蒙皮零件贴模度,保证了蒙皮外形精度的要求。

飞机蒙皮;纵向拉形;夹钳轨迹;有限元分析

飞机气动外形主要由蒙皮零件构成,拉形工艺是制造蒙皮零件的主要方法。近年来,国内各航空制造企业为了提高蒙皮质量与水平,引进了法国Alsthom-ACB公司的数控拉形设备,但由于缺少相应的工艺优化方法和工艺参数数据库,生产中仍然以试拉为主,蒙皮零件质量不易很好保证,生产效率没有显著的提高。针对引进的先进数控设备,利用有限元技术进行蒙皮拉形工艺模拟与优化,预测成形中可能出现的成形缺陷,确定合理的拉形轨迹,对于提高产品质量和生产效率具有十分重要的意义[1]。

蒙皮拉形分为横向拉形和纵向拉形[2]。横向拉形中夹钳为直钳口,板料两端被夹钳夹持并通过夹钳空间运动完成拉伸与包覆的复合动作,并贴合模具成形;纵向拉形时,板料两端被夹钳夹持后首先通过夹钳之间的相对转动发生横向弯曲,继而在夹钳作用下完成拉伸与包覆的复合动作,并贴合模具成形,它是制造双曲度蒙皮的主要方法。以往的研究主要是针对蒙皮横向拉形的研究[3—5]。

文中主要针对双曲度蒙皮纵向拉形进行研究,通过研究纵向拉形模拟中板料在拉形机夹钳中的装夹、夹钳轨迹的设计等关键技术,给出合理的处理方法,并应用有限元分析软件进行仿真验证,通过改变拉伸量和补拉量,对成形模拟结果进行对比,优化纵向拉形轨迹。

1 板料在拉形机夹钳中的装夹

针对FEL2×350T纵向拉形机(如图1所示)拉形双曲度蒙皮进行研究。该设备是在保持模具不动的情况下,通过夹钳运动对板料施加拉力和弯矩,使板料与拉形模完全贴合。纵拉机的运动机构属于空间串联、左右对称机构,单边钳口由7块独立的夹钳组成,通过作动筒的伸缩,可以控制中间夹钳的空间运动,同时控制主轴的伸长,以及主轴在主轴局部坐标系下的转动。其他夹钳相对中间夹钳的转动可以形成曲钳口。

图1 FEL2×350T数控纵拉机Fig.1 Longitude stretch formingmachine FEL2×350T

模拟中引入了夹钳数模,来定义板料在拉形机夹钳中的装夹,建立板料夹持边与夹钳的对应关系。通过确定板料上的夹持边与夹钳的对应关系,将夹持边与对应的夹钳约束在一起;在继而发生的拉形过程中,板料夹持边跟随对应的夹钳发生相同的运动,通过夹钳的运动实现板料的拉伸与包覆,如图2所示。模拟中,板料的受力情况即可以转化为夹钳的运动边界条件,由夹钳的运动唯一地确定。

图2 夹持模拟Fig.2 Simulation of clamping

2 夹钳轨迹设计

2.1 夹钳轨迹定义

如图3所示,机构的运动自由度包括主轴向量OA的伸缩量Δa,夹钳整体绕y轴的旋转角θy,绕主轴向量OA的旋转角θa,绕z轴向量AB的旋转角θz以及各个夹钳钳口绕过各自参考点且平行于向量BX的轴的旋转θd,θe,θf,θg,图中C,D,E,F,G分别是各夹钳参考点的初始位置。夹钳用刚性体来描述,确定夹钳的轨迹即是确定在成形过程中夹钳参考节点的运动轨迹。

图3 夹钳运动示意图Fig.3 Jaw movement

在确定模具和板料的初始位置的情况下,整个拉形过程中夹钳的运动均通过控制各成形阶段中夹钳的转角以及拉伸量来实现。根据拉形工艺原理和拉形设备特点,将拉形动作分解为以下4个阶段来完成。

第1阶段:预拉伸与包覆。设定在板料不发生塑性变形的情况下,夹钳参考节点在此阶段的终点位置定义在沿模具圆角处的切向位置,拉形动作通过夹钳绕y轴转动和主轴OA伸长来实现。如图3所示,第一步各夹钳参考节点的终止位置为C1,D1,E1,F1,G1。

第2阶段:板料发生倾斜。如图3、图4所示,夹钳绕主轴OA1转动θ角,调整中间夹钳与对应模具外形区域段相一致。

图4 板料的倾斜Fig.4 Lean of sheet

第3阶段:曲夹钳的形成。该阶段调整各夹钳绕中间夹钳相对转动形成曲钳口,使曲钳口与模具端面轮廓吻合,便于贴模。

第4阶段:轴向拉伸贴模。夹钳沿主轴OA1方向轴向拉伸,板料面内产生均匀塑性变形,拉伸板料直至贴模为止。

2.2 夹钳轨迹的控制变量

引入伸长率来改变成形阶段零件变形量的分配情况,从而得到不同的成形效果。取板料沿拉形方向(x轴)的截面中心线的伸长率来进行计算,如图5所示。悬空段与模具型面近似相切,在CAD软件中可以测量得到某阶段板料的长度。假设板料原始长度为L0,某阶段板料与模具贴合段弧长LV1、两端悬空段弧长为LM1和LN1,则该阶段板料截面中心线弧长为:

变形后截面中心线的伸长率为:

通过设定伸长率,反求悬空段弧长,可以得到该成形阶段结束时夹钳的空间位置,再与原始位置相比较,便可得到此阶段中夹钳的位移。

图5 伸长率定义示意图Fig.5 Definition of percentage elongation

3 双曲度零件模拟及分析

3.1 有限元模型的建立

针对某飞机双曲度蒙皮零件进行有限元模拟,该零件的拉形模具与板料的有限元模型如图6所示。根据初始板料的宽度,确定左右两侧子夹钳数量为5。板料材料为2024-T3铝合金,材料厚度 t=1.2 mm。模具与板料之间的接触摩擦因数为0.08。拉伸成形模拟采用ABAQUS/Explicit软件,回弹模拟采用ABAQUS/Standard。

图6 有限元模型Fig.6 Finite elementmodel

铝合金2024-T3材料性能参数由单拉试验得到,表1是经计算处理所得的基本力学性能参数。

表1 铝合金2024-T3材料性能参数Tab le 1 Material param eters of alum inum 2024-T3

根据前述方法设计夹钳轨迹,由于铝合金2024-T3材料在拉形过程中表面容易出现滑移线,所以设计时将延伸率控制在4%以内,使得零件以最小的延伸率成形。模拟拉形过程采用位移控制方式,同时运用ABAQUS软件中提供的光滑加载位移幅值曲线,保证了加载模拟的平稳性。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 变形分析

图7为ABAQUS/Explicit模拟成形后零件有效变形区域的应变应力场分布。由图7可见,成形后零件面内应力应变分布均匀,总体变形情况良好,角部区域主应变值最大。

图7 成形后零件应力应变分布Fig.7 Stress and strain distribution on skin

通过实验获取滑移线出现时的临界应变数据点,拟合成曲线,构成滑移线极限曲线SLC,作为滑移线的判据,如图8所示。图8中的点-线方式显示了角部区域中变形最大的单元的应变历史,可以看出,角部单元应变加载沿近似直线路径,应变状态介于单向拉伸和平面应变状态之间,最大应变值低于滑移线极限曲线,说明零件表面不会出现滑移线。另外,图8中采集的大量数据点反映了拉形结束时零件主应变在滑移线极限图(SLD)上的分布,应变值都介于2.2%～3.5%之间,以较小的延伸率达到了成形精度的要求,较好地防止了硬铝合金成形过程中滑移线问题的出现。

图8 主应变在滑移线极限图(SLD)上的分布Fig.8 Max Principle strain distribution on SLD

3.2.2 加载轨迹优化

为了优化夹钳轨迹,在控制伸长率时,分析各阶段不同变形量的分配对成形结果的影响,从而选择最佳的夹钳轨迹。夹钳轨迹参数设计如表2所示。

3组参数设置中,板料的延伸率均控制在4%以内,成形结束后零件表面均不会产生滑移线,更不会发生破裂,所以主要考察零件的贴模情况。沿零件纵向(即拉伸方向)选取截面y=100mm,y=400mm,y= -400 mm作为零件贴模度的检测部位,贴模度定义为蒙皮零件下表面与模具型面之间的距离。各截面零件贴模情况如图9和表3所示。

表2 3组夹钳轨迹参数Tab le 2 Three kinds of jaw path controlling param eters

图9 在不同截面上零件贴模度的对比分析Fig.9 Comparison of part accuracy in different sections

表3 各组贴模度对比Tab le 3 Com parison of part accuracy in different sections mm

从图9和表3中可以看出,在截面y=400 mm处,第2组零件的总体贴模度最好,在截面y=100 mm和y=-400 mm处,第3组零件的贴模度最好,第一组零件的贴模度最差。拉伸量越大,零件贴模情况越好;补拉量越大,零件贴模度也越好。

从贴模度分析角度来看,当拉伸量为1%,补拉量为2.7%时,蒙皮拉形结果为最佳。

4 结论

通过对双曲度蒙皮零件的纵向拉形模拟技术的研究,建立了蒙皮纵拉成形的有限元模型,实现了拉形加载轨迹的优化,主要得到以下结论。

1)针对蒙皮纵向拉形工艺和拉形设备特点,提出了纵向拉形动作方案和夹钳轨迹计算方法。

2)利用有限元软件ABAQUS对硬质2024-T3铝合金零件进行纵向拉形模拟,引入滑移线极限曲线作为滑移线的判据。

3)通过改变拉伸量和补拉量,引起各阶段板料变形量的不同,优化了拉形轨迹。

4)拉伸量和补拉量的增大,都有利于蒙皮零件贴模度的提高,保证了蒙皮外形精度的要求。

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Numerical Simulation Technique of Longitude Stretch Process on Double-curved Skin

GUWei1,WU Hui1,JIN Hai-xia2,PENG Jing-wen2,LIWei-dong2,WAN Min2
(1.Chengdu Aircraft Industrial Corporation,Chengdu 610092,China; 2.School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

Design of jaw path and clamping of sheet on stretch formingmachine are the two key technical problems in longitude stretch forming process simulation of skin.The aim of this study was to optimize the jaw loading path through studying simulation technique on double-curvature skin in aircraft.The treatment of key technical problems were proposed and tested in FEMsimulation software ABAQUS.By varying the amount of stretching and post-stretching and comparing forming simulation result,the jaw path is optimized.The springback of final part is reduced and the shape accuracy is improved through lading path optimization of longitude stretch forming.

aircraft skin;longitude stretch forming;jaw path;finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.012

TG386

:A

:1674-6457(2015)04-0057-05

2015-05-12

国家高技术研究发展计划(863)(2007AA04Z1A3)

顾伟(1963—),男,上海人,学士,高级工程师,主要研究方向为材料成形组织与性能控制。