虚拟加工过程建模及加速分析技术研究

论文摘要

虚拟加工过程(VMP——Virtual Machining Process)是在对产品几何参数、材料物理性能、切削参数及加工的物理过程进行全面建模的基础上，利用数值仿真技术，在计算机内对加工过程的虚拟实现，主要用于分析真实加工环境中各因素对加工过程的影响，预测加工结果，评估零件的可加工性，优选加工方案，优化工艺参数，是一种直观、经济、高效的技术途径。 论文以易变形薄壁零件的数控立铣加工过程作为主要对象，系统地分析了虚拟加工中涉及的技术方法，针对目前数控仿真研究中普遍采用的几何模型不适用于虚拟加工过程、还没有适用于易变形工件切削过程的力学模型、工件受力变形分析所采用的有限元方法效率太低等主要问题，进行了深入研究。 首先，从虚拟加工过程的技术需求分析出发，论文提出了一个虚拟加工平台的体系结构；围绕实现工件受力变形快速模拟和分析这一目标，分析了系统各组件间的相互关系，以及实现这些组件所需的技术，为关键技术研究工作和软件开发提供总体框架。这些关键技术可以归类为虚拟加工过程建模技术和工件变形的快速分析技术。 虚拟加工过程建模技术是分析切削过程中工件的受力变形的基础。论文研究的建模技术主要包括：能够满足虚拟加工过程需求的工件模型：用于确定工件变形边界条件的装夹模型和用于描述易变形工件在加工过程中刀具运动、实际切削量、切削力分布以及工件变形量等之间相互关系的挠性工件切削过程力学模型。 此外，论文研究了立铣加工中常见的薄壁类型和相应的受力变形解析(或解析与数值相结合)算法，在此基础上构建了基本薄壁元素及其变形算法库，可以为基本薄壁元素变形快速估算提供算法支持；为减小局部快速分析可能带来的误差，提出了对关键点变形量进行有限元和实验校核以获得可靠的校正系数的方法。 论文中提出的最小壁厚法、关键点法和预置区域法等技术手段，可用于在虚拟加工过程中识别工件变形的敏感区域；并结合构建的基本薄壁元素与变形算法库，将变形量快速估算与重点位置的少量有限元精确分析相结合，构成虚拟加工过程高效分析流程，在保证精度的基础上显著提高分析效率。 论文最后利用研究成果开发了原型系统BaseVMP，并通过一个典型薄壁零件加工过程进行了实验验证，结果显示可以利用虚拟加工技术优化切削参数，缩短加工工时。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究状况
• 1.2.1 切削加工仿真中几何建模技术状况
• 1.2.2 切削加工中受力变形分析技术研究状况
• 1.2.3 切削过程力学模型研究状况
• 1.3 有待研究解决的问题
• 1.3.1 虚拟加工过程工件模型
• 1.3.2 挠性工件加工过程力学模型
• 1.3.3 高效的工件受力变形分析方法
• 1.4 论文的主要内容
• 2 虚拟加工平台体系结构
• 2.1 虚拟加工技术需求分析
• 2.2 体系结构
• 2.2.1 几何实体建模
• 2.2.2 虚拟加工环境建模
• 2.2.3 加工过程仿真
• 2.2.4 数据处理
• 2.2.5 几项关键技术的提出
• 2.3 小结
• 3 虚拟加工过程建模技术
• 3.1 虚拟加工过程工件模型
• 3.1.1 工件模型的功能需求
• 3.1.2 工件模型的结构
• 3.1.3 工件整体信息动态更新与局部薄壁元素抽取
• 3.1.4 虚拟加工过程图形快速显示
• 3.1.5 工件薄壁加工表面创成仿真
• 3.2 虚拟加工过程的装夹模型
• 3.2.1 立铣加工主要装夹方式与工件变形边界条件的映射关系
• 3.2.2 虚拟加工系统中的交互式装夹过程
• 3.3 挠性工件切削过程力学模型
• 3.3.1 立铣加工几何过程
• 3.3.2 瞬时力工件刚性变形模型
• 3.3.3 瞬时力工件变形反馈模型
• 3.3.4 再生力工件变形反馈模型
• 3.3.5 模型验证
• 3.4 小结
• 4 支持快速分析的基本薄壁元素与变形算法库
• 4.1 基本薄壁元素分类
• 4.1.1 基本结构类型
• 4.1.2 常见边缘连接形式与变形边界条件
• 4.1.3 类型编码
• 4.2 变形算法
• 4.2.1 切削力载荷的表达
• 4.2.2 等厚度薄板变形算法
• 4.2.3 变厚度薄壁
• 4.2.4 柱壳弯曲求解有限条法
• 4.2.5 关键点变形量校正
• 4.3 算法验证
• 4.4 小结
• 5 快速估算与重点位置精确分析结合的高效分析技术
• 5.1 危险点域的识别方法
• 5.1.1 最小壁厚法
• 5.1.2 关键点法
• 5.1.3 预置区域法
• 5.2 基于变形敏感区段识别的动态变精度分析策略
• 5.2.1 非敏感区段的判别
• 5.2.2 敏感区段的快速变形估算
• 5.2.3 危险点域工件变形有限元精确分析
• 5.3 虚拟加工过程中工件受力变形分析流程
• 5.4 仿真算例
• 5.4.1 算例1:分析效率验证
• 5.4.2 算例2:分析精度验证
• 5.5 小结
• 6 原型系统与实验验证
• 6.1 目标零件的特点及几何模型
• 6.2 零件 XH74A虚拟加工的过程
• 6.2.1 设定虚拟加工条件
• 6.2.2 生成和编辑NC代码
• 6.2.3 虚拟加工运行与工件变形分析
• 6.3 虚拟加工结果分析
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文