基于ABAQUS软件的管接嘴类零件加工仿真分析

2022-08-18刘俊文罗志恒傅仁科

教练机 2022年1期

刘俊文，罗志恒，傅仁科，余刚

（1.海装驻南昌地区军事代表室，江西南昌，330024；2.航空工业洪都，江西南昌，330095）

0 引言

随着我国工业的迅速发展，在航空航天领域中，飞行器结构往往追求轻量化，因为飞行器结构轻量化可以有效降低载荷，使飞行器的飞行效率提高，因此，飞行器上所需的各种管路结构件往往会尽可能薄。现阶段管接嘴类零件在生产制造过程中，零件装夹固定时会受到夹具的夹紧力而发生变形，从而引起加工误差。本文以三通管为例，通过采用Solid Works软件分别建立工件、夹具模型并装配，使用ABAQUS软件对三通管的加工装夹过程进行仿真分析，从而为后期优化管接嘴类零件的加工提供理论依据和技术支持。

1 工件装夹变形分析

本文采用Solid Works软件分别建立工件、夹具模型并装配，采用ABAQUS软件进行仿真分析。仿真分析过程包括三个阶段：前处理、分析计算、后处理。本文以三通管为例，采用平压头与U形下夹头方式进行装夹。其中，前处理包括导入部件、创建材料、截面属性和定义装配件，由于管接嘴类零件一般采用铝合金与合金钢材料加工制作，为了分析夹头材料对工件变形的影响，同时为了简化运算，在模块的材料和截面属性的创建中分别将夹具材料设置为铝合金和合金钢进行仿真。

分析计算包括划分网格、设置分析步、定义接触和边界条件以及提交分析作业。将工件-夹具装配起来，将夹具与工件划分四面体网格，采用结构静态响应分析模式对工件进行分析。为了简化分析过程，对使用平压头的方案，直接施加压强载荷在工件上侧方凸台的表面，对使用U形或V形上夹头的方案，在上夹头上侧方凸台表面施加压强载荷，用压强载荷来模拟夹紧力F。一般情况下，夹头装夹方式有：①平压头与U形下夹头，②U形上夹头与U形下夹头，③平压头与V形下夹头，④V形上夹头与V形下夹头，由于本文以平压头与U形下夹头方式进行装夹三通管为例，装夹如图1所示，在设置加载力模块中，在夹紧力设置方向设置夹紧力F，同时设置下夹头下表面的边界条件为U1=0。其中，网格划分是仿真计算的重要步骤，网格的质量直接关系到计算速度和计算结果的准确度。此外，网格布置太稀疏容易造成网格畸变、计算不收敛，网格布置太密集又会占用太多的内存和时间。创建分析作业，将前面定义的模型和边界条件提交求解器进行求解，提交分析作业。

图1 平压头与U形下夹头与装夹时夹紧力施加方式图

提交分析完成后，进入后处理模块查看分析结果。分析结果可以多种方式显示，包括位移、应力、应变分布云图等，也可以读取各类数据文件做进一步分析计算。由于工件、夹具、载荷的对称性，选取三通管的2端来分析其夹紧前后的变形情况。而对于夹头主要关注其在夹紧力方向上的位移。图2和图3为采用U形下夹头及平压头装夹方案的仿真分析结果输出，此时夹头材质为合金钢，夹紧力F=6000N，方向与图中坐标系z轴正方向相同，图中y轴正向指向三通管的2端。

图2 管接嘴在U型下夹头及平压头装夹的变形仿真云图

图3 U形下夹头及平压头装夹的变形仿真云图

在后处理过程中，选取如图4所示的三通管2端外圆面上的所有节点建立新的显示组，并可建立空间柱坐标系，从而可以输出夹紧前后节点对应的径向位移值，三通管的径向位移云图如图5所示。此时最大值为8.7μm，最小值为-12.3μm。其中，位移值为正值表示变形后该节点远离中心轴，位移值为负值则表示该节点靠近中心轴。

图4 三通管2端外圆面上节点构成的显示组图

图5 三通管的径向位移云图

由于零件的夹紧变形主要受到夹紧力、装夹方案等因素的影响，本文除了对夹紧力在F=6000N时，平压头与U形下夹头与装夹时进行有限元模拟进行分析，同时，采用控制变量法分别对不同夹紧力和装夹方案进行有限元模拟进行分析。表1表示三通管平压头与U形下夹头与装夹时F分别为2000N、4000N、6000N、8000N和10000N管嘴2的外圆面上所有节点的径向位移最值汇总，以分析三通管在不同夹紧力下的装夹变形规律。表2表示夹紧力为6000N时，不同装夹方案下管嘴2的外圆面上所有节点的径向位移最值汇总。表3表示材料为合金钢及铝合金在夹紧力均为6000N时，三通管2端外圆面上节点径向位移最值汇总。

表1 不同夹紧力下，工件管嘴2外圆面上节点位移最值汇总

表2 不同装夹方案下，工件管嘴2外圆面上节点位移最值汇总

表3 三通管2端外圆面上节点径向位移最值汇总

综合比较各装夹方案下的三通管装夹变形仿真分析结果，可以得出以下结论：

1）各个装夹方案下，夹紧力增大时，工件应力随之呈比例增大；

2）上下夹头均为U形头时，工件装夹变形量最小，当工件尺寸精度要求较高时，可选用此方案；

3）合金钢的夹头比铝合金的夹头装夹效果更好；

4）合理设计夹具造型和合理选用夹紧力，避免应力集中导致工件局部变形量过大。

2 零件加工过程中切削力、夹紧力作用分析

切削力来源于刀具在切削时受到工件的弹塑性变形力以及摩擦力，影响切削力大小的因素包括工件材料、切削用量、刀具相关参数以及切削液等。利用ABAQUS有限元分析软件进行分析，考虑夹紧力、切削力联合作用，其中上、下夹具均采用U形夹头，夹紧力设为6000N，夹具材料为合金钢，工件材料为铝合金，采用静力分析方法进行仿真分析，对三通管2端位置进行分析。图6中A、B、C、D点为零件仿真加工过程中选定点，又称为切削点。径向位移值汇总如表4所示，当三通管处于不同切削位置时，切削点的径向位移也不同。

表4 不同切削状态下各切削位置径向位移最值汇总表

图6 切削点的位置图

图7为A、B、C、D四个点所在截面，图中外侧标准圆虚线代表工件的初始表面；外侧实线表示受夹紧力、切削力作用而变形的工件外圆表面；内侧虚线为理想刀具轨迹，也为标准圆，内侧红色实线代表卸载后发生回弹变形的工件外圆表面；图中打剖面线的区域代表加工中实际切除的区域。以切削B点为例，主切削力为300N时，B点径向位移约为-9.4μm，则切削时B位置少切削了9.4μm，造成B位置实际半径比标准值大约9.4μm。整理表4中数据，得到工件外圆面的误差值预测，如表5所示，其中正值表示预测值比理想值大。从表中数据可以看出，直径AC的值受切削力变化影响较大。