基于光学测量的曲面冲压件回弹离散补偿算法研究

论文摘要

在板料成形领域,回弹是成形过程中不可避免的现象,它的存在直接影响了冲压件的成形精度。随着汽车工业和航空工业的发展,对三维曲面零件成形精度的要求越来越高,特别是近年来由于高强度钢板的大量使用,回弹问题更为突出。通过改善冲压工艺虽然可以在一定程度上减小回弹,但无法从根本上消除回弹。模具补偿从理论上来讲可以完全消除由回弹引起的形状误差,但如何获得正确的补偿型面是该技术尚未解决的难题。目前大多数采用的方法是应用CAE技术通过迭代计算获得模具最终补偿型面,但目前CAE技术还无法准确预测冲压件的回弹,特别是对于一些较复杂的曲面冲压件,因此通过这种方式获得的模具补偿型面很难保证其准确性,反复试模工作仍然不可避免。有鉴于此,本文提出了基于现代光学测量技术的曲面冲压件回弹离散补偿算法的研究,以期获得正确的模具补偿型面,有效地解决板料冲压回弹的问题。本文所做的主要研究工作如下:针对具有二维变曲率截面形状的零件的回弹问题,提出了基于测量的离散曲率校正补偿算法。该算法将非规则复杂零件的截面离散为微小的等曲率段。对于每一等曲率段,采用曲率补偿算法,并用实际测量获得的曲率回弹量进行校正,反求出各段的模面补偿曲率;最后通过基于曲面曲线微分几何理论的曲面重构算法自动创建补偿模面,再进行下一次冲压。该算法已成功应用于波浪形零件及叶片零件的回弹问题处理中,实验结果表明,采用该补偿方法通过一次修模即可获得理想的冲压件。对于三维曲面冲压件的回弹问题则通过离散方式将其转化为多个小双曲率片单独的回弹问题及其相互影响问题。首先,建立了基于测量的双曲率零件回弹预测模型。针对典型三维双曲率零件进行了理论分析,直接依据光学测量所获的双曲率零件成形卸载前的应变值,以零件中性层偏移量为桥梁,建立了不同应力应变状态下双曲率零件的弯矩与膜力模型,并据此进行回弹预测,为后续的补偿算法奠定了理论基础。依据该理论模型,本文讨论了膜力、材料参数及模面曲率参数对双曲率零件回弹的的影响。其次,进行了双曲率零件的拉延回弹试验研究。在试验中采用两种光学测量系统分别获得零件成形卸载前的应变数据及形面点云数据。针对测量数据在回弹控制中的应用,提出了一种基于曲率的曲面冲压件回弹评价方法,能够客观反映冲压件各区域的回弹情况。结合该评价方法分析了双曲率零件的回弹规律及应变分布规律;讨论了材料、工艺参数等对零件回弹的影响,将理论模型预测的结果与实验结果进行了比较分析,验证了上述回弹预测模型的正确性。最后,结合了上述基于测量的双曲率零件回弹预测模型及评价体系,提出了曲面冲压件离散补偿算法。该方法将冲压件曲面离散为多个四边形小面片,当曲面片足够小时,每个小曲面近似看成为一个双曲率的曲面片,三维曲面冲压件的回弹问题转化为每个双曲率片单独的回弹问题及其相互影响问题。单个双曲率片采用基于测量的回弹理论预测模型,通过寻找模面曲率增量与中性层偏移量增量的关系,建立两次冲压过程中弯矩膜力的变化关系,反求出单个曲面片的补偿曲率;而曲面片之间的互相影响则通过实际冲压件的回弹信息,采用曲率释放比例因子对理论计算的补偿曲率进行修正;最后由补偿模面的离散主曲率矩阵,重构出下一次冲压所需的模面。该算法已成功应用于双曲率零件的模具型面修正实验中,实验结果证明该算法有效可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 回弹预测方法的研究进展
• 1.2.1 解析方法
• 1.2.2 有限元数值模拟法
• 1.2.3 试验研究
• 1.3 回弹补偿方法的研究进展
• 1.3.1 应力反向补偿法
• 1.3.2 位移反向补偿法
• 1.3.3 光顺几何补偿法
• 1.4 课题来源及研究内容
• 第二章 二维变曲率零件弯曲回弹补偿算法
• 2.1 引言
• 2.2 一般等截面宽板的纯弯曲及回弹理论分析
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 一般等截面宽板的纯弯曲理论
• 2.3 变曲率件冲压回弹离散曲率校正补偿算法
• 2.3.1 一般等曲率冲压件的曲率校正补偿算法
• 2.3.2 变曲率冲压件的离散曲率校正补偿算法
• 2.3.3 变曲率弯曲件模面重构算法
• 2.3.4 重构变曲率弯曲件模面的MATLAB 实现
• 2.4 波浪形零件冲压成形回弹补偿计算及实验
• 2.4.1 补偿计算过程
• 2.4.1.1 截面弧长曲率数据的提取
• 2.4.1.2 第一次冲压试验及结果
• 2.4.1.3 模面补偿计算
• 2.4.2 验证实验及结果
• 2.5 截面补偿方法在叶片回弹问题中的应用
• 2.5.1 补偿算法中的关键步骤
• 2.5.1.1 特征截面的提取
• 2.5.1.2 第一次冲压实验及结果
• 2.5.1.3 模面补偿计算
• 2.5.2 验证实验及结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于测量的三维双曲率件回弹预测模型
• 3.1 引言
• 3.2 零件单方向拉延回弹的理论分析
• 3.3 双曲率零件拉延回弹的理论分析
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 双曲率零件拉延成形应变分析
• 3.3.3 双曲率零件拉延成形弯矩与膜力计算
• 3.3.4 双曲率零件拉延回弹计算
• 3.4 基于测量的双曲率零件回弹预测模型
• 3.5 双曲率零件拉延回弹的影响因素理论分析
• 3.5.1 膜力对回弹的影响
• 3.5.2 材料参数对回弹的影响
• 3.5.3 曲率及曲率比对回弹的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 双曲率零件拉延回弹实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 应变分析的理论基础
• 4.2.1 工程应变与真实应变
• 4.2.2 视觉测量中的应变计算方法
• 4.2.3 空间网格的应变计算
• 4.3 基于曲率的冲压件回弹评价方法
• 4.3.1 曲率与冲压回弹的关系
• 4.3.2 点云与局部曲率的拟合计算方法
• 4.3.3 算例
• 4.4 双曲率零件拉延成形实验设计
• 4.4.1 实验装置设计
• 4.4.2 实验方案
• 4.4.3 视觉测量系统描述
• 4.4.4 测量特征点制作方法
• 4.4.5 实验过程
• 4.5 实验结果分析
• 4.5.1 压边力对回弹的影响
• 4.5.2 材料参数对回弹的影响
• 4.5.3 曲率对回弹的影响
• 4.5.4 双曲率零件应变及回弹分布规律分析
• 4.5.5 实验结果讨论及对模面补偿的启示
• 4.6 本章小结
• 第五章 曲面冲压件回弹离散补偿算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 回弹离散补偿算法技术路线
• 5.3 曲面补偿前后弯矩膜力变化分析
• 5.3.1 双曲率零件膜力分布规律分析
• 5.3.2 模面曲率增量与中性层偏移量增量关系
• 5.4 曲面离散补偿算法
• 5.4.1 双曲率片补偿算法模型
• 5.4.2 曲面冲压件回弹离散补偿算法
• 5.5 算例
• 5.5.1 双曲率零件补偿计算
• 5.5.2 验证实验及结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要工作和结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望与设想
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件