薄壁件加工过程优化仿真技术研究

论文摘要

航空薄壁件结构复杂、刚性差,在夹紧力和切削力作用下容易产生较大的加工变形,难以保证工件较高的加工精度。因此,围绕低刚度零件,采用有限元仿真等方法,研究薄壁件加工过程优化技术,对加工精度的提高有着重要的理论意义和实用价值。本文以航空中小型薄壁件为对象,采用仿真分析与试验研究相结合的方法,从不同优化角度分析了加工精度的提高方法,包括薄壁件加工过程中的装夹优化、切削参数优化以及路径补偿优化方法,具体研究工作如下:研究了中小型薄壁件装夹方案的优化方法。建立了以最小化关键面上装夹变形引起的形位误差为目标函数的装夹优化数学模型,分析了基于有限元分析软件(ABAQUS)的装夹方案优化流程和关键问题,基于优化模型和优化流程完成了装夹方案的优化。在装夹优化的基础上,对薄壁件加工过程切削参数优化进行了研究。建立了薄壁件分层铣削变形预测动态模型,在此基础上,分析和比较了不同切削条件下的工件加工变形的大小与变化趋势,采用遗传算法与有限元仿真相结合的方法优化了薄壁件加工过程中的切削参数。为了进一步减少加工误差,在装夹优化和切削参数优化的基础上,研究了薄壁件路径补偿的优化方法。根据路径补偿的原理提出了完全补偿和优化补偿两种路径补偿方法,并建立了路径补偿优化模型,分析和比较了补偿前后的加工误差。进行了试验加工,经过与有限元仿真结果的比较,验证了有限元分析模型和优化模型的正确性和有效性。为了实现快速优化过程,在深入研究ABAQUS二次开发方法的基础上,完成了用于加工过程优化的快速仿真平台的开发,该平台有效地集成了装夹优化、加工变形预测、切削参数优化和主动路径补偿及优化等功能,为实现参数化分析运算提供了友好的用户交互界面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题背景及意义
• 1.2 本课题的研究现状以及存在的问题
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 现有研究的不足
• 1.3 本课题的研究内容及章节安排
• 第二章 薄壁件装夹方案优化技术研究
• 2.1 工件定位、夹紧概述
• 2.1.1 工件的定位
• 2.1.2 工件的夹紧
• 2.2 薄壁件装夹方案优化模型
• 2.2.1 最优化理论
• 2.2.2 优化变量设计
• 2.2.3 装夹方案优选的数学模型
• 2.2.4 装夹方案优选的流程
• 2.3 装夹变形仿真技术
• 2.3.1 有限元方法概述
• 2.3.2 装夹变形仿真建模研究
• 2.3.3 基于ABAQUS 的装夹变形仿真过程
• 2.4 实例分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 薄壁件加工变形预测及切削参数优化技术研究
• 3.1 薄壁件加工变形概述
• 3.2 薄壁件加工过程仿真的关键问题
• 3.2.1 有限元模型的几点假设
• 3.2.2 切削力的加载
• 3.2.3 材料的去除
• 3.2.4 分层铣削模型
• 3.3 薄壁件加工变形预测模型的建立
• 3.3.1 动态模型
• 3.3.2 变形预测的参数化建模
• 3.4 薄壁件加工切削参数的优化
• 3.4.1 遗传算法
• 3.4.2 切削参数优化模型的建立
• 3.4.3 遗传算法优化切削参数的实现
• 3.5 实例分析与试验验证
• 3.5.1 仿真预测变形值与试验加工变形值的比较
• 3.5.2 不同工艺参数下的加工变形分析
• 3.5.3 切削参数优化的结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 薄壁件路径补偿优化技术研究
• 4.1 加工变形补偿机理
• 4.2 路径补偿方法
• 4.2.1 完全补偿
• 4.2.2 优化补偿
• 4.3 实例仿真分析与试验验证
• 4.3.1 完全补偿
• 4.3.2 优化补偿
• 4.3.3 试验验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 加工过程优化快速仿真平台开发
• 5.1 开发工具
• 5.2 系统模块与功能
• 5.3 系统接口与界面设计
• 5.4 本章小节
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文