无人飞行器输出轴系组件分层切割加工优化

陈运胜

(广州华立科技职业学院　广州　511325)



无人飞行器输出轴系组件分层切割加工优化

陈运胜

(广州华立科技职业学院广州511325)

以某航空无人飞行器的输出轴系组件为研究对象,研究在交变温度下机械分层切割加工优化方法,在输出轴系机械组件多轴分层切割过程中,随着多轴分层切割点散热系数的变化出现疲劳损伤,通过对疲劳损伤的预测和补偿,防止过切割和摩擦热对组件的损坏。提出一种基于两轴联动切割热误差补偿控制的交变温度下机械多轴分层切割优化方法。对交变温度下飞行器输出轴系多轴分层切割点进行应力分析和有限元建模,构建切割加工的评价参量体系,输出轴系组件多轴分层切割点最优路径分为前向轴控制和后向轴控制分层切割路径,采用前向轴和后向轴两轴联动切割控制方法,设计两轴联动切割热误差补偿控制的切割方法,实现加工优化。仿真试验结果表明,采用该方法能有效实现对交变温度下的两轴联动切割热误差补偿控制,改善多轴分层切割工艺,避免了过切割和摩擦热对组件的损坏。

无人飞行器; 输出轴系; 机械; 切割

Class NumberTH133

1　引言

随着机械加工工艺的发展,机械加工的种类变得多样化,机械切割是重工业中一种最重要的加工方式,通过机械切割对板组件进行成型处理,为后续的磨削加工提供原始板材,可见,机械切割在机械加工中占有重要的地位。输出轴系组件作为航空无人飞行器重要的控制组件,具有加工工艺复杂,技术要求较高的特点,为了使得飞行器的输出轴系组件适应飞行过程中的热摩擦和磨损的工艺需求,需要对在热环境和温度突变条件下对航空无人飞行器的输出轴系组件进行多轴分层切割,提高模型的受热能力。在输出轴系机械组件多轴分层切割过程中,随着多轴分层切割点散热系数的变化出现疲劳损伤,通过对疲劳损伤的预测和补偿,防止过切割和摩擦热对组件的损坏[1]。

在机械多轴分层切割过程中,切割点的附近出现较为严重的应力集中现象,导致机械加工部件产生疲劳裂纹。根据分析可知,在飞行器机械加工中,大约80%的机身疲劳问题与切割点有关。因此,在切割加工过程中,需要在早期采用算法设计和计算机辅助编程手段,分析在温度突变下的多轴分层切割的疲劳预测方法,提高产品的性能。传统方法中,对切割点的疲劳预测和热误差补偿方法主要采用基于力的LBF法、基于应力的LMS法等[2～3],上述方法都是通过建立作用在切割点有限云结构上的应力分析模型,采用数学分析方法分析切割点的结构应力,采用不规则三角网格建立疲劳损伤的节点关系模型,实现热误差补偿和切割优化。但是传统方法在建模过程中过度依赖与网格节点之间的温度、焊点等参量信息,且对网格点的应力特征依赖程度较高,当上述信息缺乏或者温度突变的情况下,对机械切割的过切割补偿效果不好。对此,相关文献进行了改进设计,其中,文献[4]提出一种模糊神经网络控制和多轴联动进刀的机械切割方法,采用精细化的切割点模型进行疲劳预测,以焊核单元上的效结构应力为输入,降低了机身的粘滞系数,但是该方法在进行多轴加工过程中,受到其它加工通道的干扰较大,应用实践性不好;文献[5]提出一种基于切割点有限元分析和疲劳扩展路径跟踪的交变温度下机械多轴分层切割方法,需要采用多个实体单元模拟疲劳扩展路径,但先验信息缺乏的情况下,对切割加工的精度改善效果不好[4]。

针对上述问题,本文提出一种基于两轴联动切割热误差补偿控制的交变温度下机械多轴分层切割优化方法。首先对交变温度下机械多轴分层切割点进行应力分析和有限元建模,然后分析了切割加工评价参量体系,设计两轴联动切割热误差补偿控制的切割方法,实现对交变温度下机械多轴分层切割疲劳预测算法改进,仿真实验进行了性能验证,展示了本文方法在提高航空无人飞行器的输出轴系组件切割加工精度,提高加工性能方面的优越性,得出有效性结论。

2　输出轴系组件多轴分层切割的热力学环境模型和应力分析

2.1无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割热力学环境描述

为了实现对无人飞行器的输出轴系组件形体的高精度多轴分层切割,本文以人高强度钢材料制造的无人飞行器的输出轴系组件为例,分析无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割的热力学环境模型。综合考虑无人飞行器的输出轴系组件在实际飞行过程中受到的机身疲劳因素和交变温度的影响,基于有限元分析方法,进行应力学分析和疲劳预测,得到无人飞行器的输出轴系组件焊机的热运动轨迹。采用ETABS软件进行模拟[5],得到基于有限元分布下的无人飞行器的输出轴系组件的切割点热力学热点分布模型示意图如图1所示。

图1　输出轴系组件多轴分层切割热点分布有限元模型

根据多轴分层切割过程热传导原理,在输出轴系机械组件多轴分层切割过程中,随着多轴分层切割点散热系数的变化出现疲劳损伤,多轴分层切割点将产生热误差,针对不同的材料结构以及多轴分层切割状态,得到无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割的热传导状态方程表示为

(1)

式中,a(θi)表示多轴分层结构的工件单元长度,si(t)表示初始接触角,n(t)表示热误差干扰向量。无人飞行器的输出轴系组件部件在径向间隙出现的“热点”进行多轴分层切割热传导评估[6],得到多轴分层切割过程的径向间隙的疲劳载荷与温度的关系为

(2)

其中:

(3)

式中,c1表示曲率中心距离,c2表示结构应力,由于无人飞行器的输出轴系组件在交变温度下的热量信号和热噪声的参数是时变的,考虑两点多轴分层切割时间间隔n∈[n1,n2],n1,n2之间的所有多轴分层切割规划路径属于K,确定每个多轴分层切割时间点的所有多轴分层切割热点的最小的路径为

(4)其中,p(k(n);n1,n2)是由n1到n2沿切割路径k(n)的疲劳损伤路径函数g(x,y)与f(x)之和。在上述构建的无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割热力学环境,进行交变温度下机械多轴分层切割疲劳预测。

2.2应力分析和有限元建模

对交变温度下机械多轴分层切割点进行应力分析和有限元建模,分析切割加工的热损伤评价参量体系,由于无人飞行器的输出轴系组件材料的组成具有相异性,对此,本文采用模块化建模方法,假设多轴分层切割共有八个实体单元,使用两层实体单元模拟切割的三角网性,多轴分层切割材料表面的形状与多轴分层切割过程热量有传导关系,构建多轴分层切割的热传递数学模型表示为:

(5)

(6)

将模块化的切割点进行非线性模拟,输入相应节点的基函数分别为d1(t)和d2(t),其满足:

0≤d1(t)≤h1<∞, 0≤d2(t)≤h2<∞

(7)

(8)

(9)

其中,A为强度因子,B为疲劳因子,K为交变温度系数,ds(t)为分层切割的热摩擦函数,da(t)为热损耗函数。通过上述分析,构建模块化的输出轴系组件多轴分层切割的应力有限元模型,如图2所示。

图2　模块化的多轴分层切割的应力有限元模型

3　两轴联动切割热误差补偿控制与加工方法优化

在上述进行了输出轴系组件多轴分层切割的应力分析和有限元建模的基础上,研究在交变温度下机械分层切割加工的优化方法,在输出轴系机械组件多轴分层切割过程中,随着多轴分层切割点散热系数的变化出现疲劳损伤,通过对疲劳损伤的预测和补偿,防止过切割和摩擦热对组件的损坏。本文提出一种基于两轴联动切割热误差补偿控制的交变温度下机械多轴分层切割优化方法[6]。给出两轴联动切割热误差补偿控制方法描述如下。

对无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割平衡点附近进行线性化处理,无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割过程中的热损耗为一个非线性时变系统,如果不进行线性化分段拟合处理[10],将会产生较大的切割误差,本文研究得到的输出轴系组件前向多轴分层切割局部最优路径如图3所示。

图3　输出轴系组件前向多轴分层切割局部最优路径

无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割点最优路径分为前向轴控制和后向轴控制分层切割路径,本文采用前向轴和后向轴两轴联动切割控制方法,对于多轴分层切割热点t=0,1,…,k,对应的热摩擦误差测量值Zk={z0,z1,…,zk},用xk表示无人飞行器的输出轴系组件的交变温度控制误差:{xk,yk,θk}。无人飞行器的输出轴系组件的分层切割点散热系数描述为

xk=f{xk-1,uk-1,wk-1}

(10)

式中,uk表示为误差补偿控制的输入数据,比如两层壳单元上的疲劳应力,wk表示局部应力。切割点周围各节点在整体坐标系下局部应力和力矩的测量方程为

zk=h(xk,M,vk)

(11)

式中,M为切割热误差补偿控制的径向间隙,vk表示热测量产生的噪声。无人飞行器的输出轴系组件的刚度退化强化模量置信度表达式为

Bel(xt)=p(xt|zt,ut-1,zt-1,…,u0,z0)

(12)

交变温度对轴承间隙热膨胀系数d1(t)和d2(t)合并成一个演化数学模型d(t),得到:

(13)

那么,基于两轴联动切割热误差补偿控制系统可写为

x(t)=φ(t)　t∈[-h,0]

(14)

利用稳定性条件,在弹性变形阶段进行切割点的疲劳预测,当疲劳超过屈服极限,材料抗剪强度的达到最大值,得到无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割的疲劳预测拟合控制方程为

Kp(t,u)=

(15)

切割节点的累积滞回能表示为

(16)

将式(16)代入式(15)后得到改进的无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割路径规划控制规则为

Pα(μ)=∫PQ线f(μcosα-νsinα,μsinα+νcosα)dν

(17)

其中,μ为无人飞行器的输出轴系组件的多轴分层切割表明热能自由退化值,α为高强度摩擦系数。通过上述设计,实现突变温度下的机械多轴分层切割的方法改进。

4　仿真试验与结果分析

为了测试本文设计的种基于两轴联动切割热误差补偿控制的交变温度下机械多轴分层切割优化方法在进行无人飞行器的输出轴系切割工艺中的性能,进行仿真试验。试验选取高强钢材料HSLA340GI作为某航空无人飞行器的输出轴系组件的原材料,切割板厚为2.5mm,屈服强度为370Mpa,抗拉强度为671Mpa,伸长率为35%。试验方法采用剪切载荷应力测试方法,分析构件的剪切疲劳寿命,实验过程中的荷载比为R=0.5,应力的加载时间间隔为2.3s,多轴分层切割的液伺服疲劳试验机如图4所示。

图4　多轴分层切割的液伺服疲劳试验机

在上述试验环境和参数设定的基础上,在交变温度下进行无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割的热误差测量,得到测量结果如表1所示。

表1　无人飞行器的输出轴系组件

根据上测量参数可见,在无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割过程中,随着多轴分层切割点散热系数的非线性变化出现热误差,影响多轴分层切割精度。采用本文方法在突变温度下进行两轴联动切割热误差补偿控制,实现无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割,考虑不同多轴分层切割开裂参数、无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割点的焊道数以及板件热流分配系数的影响,得到采用本文方法和传统方法进行多轴分层切割轨迹计算云图分析结果如图5所示。

图5　多轴分层切割轨迹计算云图

为了定量对比算法性能,采用本文方法和传统方法,对相同的飞行器的输出轴系组件进行多轴分层切割,得到不同方法下的无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割的切割精度预测结果如图6所示。

图6　切割精度预测结果对比

从图5和图6可见,采用本文方法进行交变温度下的两轴联动切割热误差补偿控制,能有效改善无人飞行器的输出轴系组件多轴分层切割轨迹,避免了过切割和摩擦热对组件的损坏,提高切割精度,改善多轴分层切割工艺。

5　结语

本文提出了一种基于两轴联动切割热误差补偿控制的交变温度下机械多轴分层切割优化方法。对交变温度下飞行器输出轴系多轴分层切割点进行应力分析和有限元建模,构建切割加工的评价参量体系,输出轴系组件多轴分层切割点最优路径分为前向轴控制和后向轴控制分层切割路径,采用前向轴和后向轴两轴联动切割控制方法,设计两轴联动切割热误差补偿控制的切割方法,实现加工优化。仿真试验结果表明,采用该方法能有效实现对交变温度下的两轴联动切割热误差补偿控制,改善多轴分层切割工艺,避免了过切割和摩擦热对组件的损坏,精度较高。

[1] 索中英,程嗣怡,袁修久,等.优势决策信息系统规则获取方法及应用[J].兵工学报,2015,26(3):539-544.

SUO Zhongying, CHENG Siyi, YUAN Xiujiu, et al. Rule Acquisition Method and Application of Dominance Decision-making Information System[J]. Acta Armamentarii,2015,26(3):539-544.

[2] 李春曦,李新颖,叶学民.叶片切割对轴流风机性能影响的数值研究[J].机械工程学报,2014,50(10):183-190.

LI Chunxi, LI Xinying, YE Xuemin. Numerical Investigation of Blade Trimming Effect on Performance of Axial Flow Fan[J]. Journal of Mechanical Engineering,2014,50(10):183-190.

[3] 许君,张延松.双相钢搭接点焊接头疲劳寿命分析[J].焊接学报,2008,29(5):45-48.

XU Jun, ZHANG Yansong. Fatigue life analysis of the lap joints of dual phase steel[J]. Transactions of the China Welding Institution,2008,29(5):45-48.

[4] TADA H, PARIS P, IRWIN G. The stress analysis of cracks handbook[M]. New York：ASME,2000.

[5] 叶红玲,李耀明,陈宁.基于ICM方法的层合板结构流固耦合频率约束拓扑优化[J].工程力学,2015,32(11):228-235.

YE Hongling, LI Yaoming, CHEN Ning. Topological Optimization of Laminated Plate Subject to Fluid-Structure Interaction with Frequency Constraint Based on ICM Method[J]. Engineering Mechanics,2015,32(11):228-235.

[6] 吴章斌,桂良进,范子杰.AZ31B镁合金挤压矩形管的轴向压溃试验与吸能特性分析[J].工程力学,2015,32(10):183-190.

WU Zhangbin, GUI Liangjin, FAN Zijie. Axial Compression Tests and Energy Absorption Characteristics of Extruded Magnesium Alloy AZ31B Rectangular Tubes[J]. Engineering Mechanics,2015,32(10):183-190.

[7] Jones N. Several phenomena in structural impact and structural crashworthiness[J]. European Journal of Mechanics-A/Solids,2003,22(5):693-707.

[8] 吴章斌,桂良进,范子杰.AZ31B镁合金挤压板材力学性能的各向异性[J].材料研究学报,2012,26(2):218-224.

WU Zhangbin, GUI Liangjin, FAN Zijie. The Mechanical Properties of Extruded AZ31B Magnesium Alloy Sheets[J]. Chinese Journal of Materials Research,2012,26(2):218-224.

[9] 王庆,张以都.二级圆柱斜齿轮系统耦合动态响应分析[J].振动与冲击,2012,31(10):87-91.

WANG Qing, ZHANG Yidu. Coupled analysis based dynamic response of twostage helical gear transmission system[J]. Journal of Vibration and Shock,2012,31(10):87-91.

[10] 马辉,王奇斌,黄婧,等.考虑几何偏心的斜齿轮耦合转子系统振动响应分析[J].航空动力学报,2013,28(1):16-24.

MA Hui, WANG Qibin, HUANG Jing. Vibration response analysis of gear coupled rotor system considering geometric eccentric effect of helical gears[J]. Journal of Aerospace Power,2013,28(1):16-24.

Optimization of Layered Cutting Process for Output Shaft Assembly of Unmanned Aerial Vehicle

CHEN Yunsheng

(Guangzhou Huali Science and Technology Vocational College, Guangzhou511325)

A certain type of unmanned aerial vehicle output shaft assemblies is taken as the object of research, under alternating temperature, stratified mechanical cutting optimization method is studied, in the output shaft mechanical components for a multi axis layered cutting process, with the multi axis layered cut point heat transfer coefficient changes occur fatigue damage by prediction and compensation of the fatigue damage, prevent over cutting and friction heat damage to components. A mechanical axis cutting control thermal error compensation of alternating temperature under multi axial cutting based on hierachical optimization method. Alternating temperatures vehicle output shaft axis layered cut point of force analysis and finite element modeling to construct cutting processing parameter of assessment system, output shaft assembly for a multi axis layered cuttingpoint optimal path for the former to the control shaft and shaft to hierachical control cutting path, mining, the shaft and the rear shaft axis to cutting control method, two axis cutting method of thermal error compensation control is designed, and the processing optimization is realized. Simulation results show that using this method can effectively realize the alternating temperatures of two axes linkage cutting thermal error compensation control, it improves the multi axis layered cutting process, avoids the over cutting and friction heat on component damage.

unmanned aerial vehicle, output shaft, mechanical, cutting

2016年2月14日,

2016年3月26日

陈运胜,男,讲师,研究方向:机械工程、自动控制。

TH133

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.08.045