Abaqus在飞机零部件加工领域的应用

大湖之子

Abaqus在飞机零部件加工领域的应用


飞机零部件中有大量的冲压件、锻件、铸件，其中冲压件使用较多，在其加工过程涉及冲击载荷、几何非线性、接触非线性的塑性大变形过程，Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit的非线性分析功能及显式分析和隐式分析功能的完美结合，可获得常规方法难以获得的金属成型过程中的温度场、应力场、应变场及回弹量等工艺参数，为提高工件的加工质量、选取设备吨级、制定合理的工艺过程提供依据。

以某公司某冲压件设计实例，传统的设计流程如下图所示：

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其中，主要设计、加工成本如下：
1. 软质模具的设计和加工成本为20 万美元；
2. 初期生产并修改模具的周期一般不低于 12周；
3. 硬质模具的设计修改和加工成本为75万美元；
4. 最后产品试生产、模具方案的定型、试生产、修正生产流程直至正式生产
的周期一般为8－9 个月。
其中，硬质模具的设计费用包含在前期软质模具设计费用之中，后期只计算修改模具设计的费用。
采用Abaqus进行数字仿真之后，设计流程如下图所示：

修改设计流程之后，主要设计、加工成本如下：
1. 软质模具的设计和加工成本为10 万美元；
2. 初期生产并修改模具的周期缩短为4周；
3. 硬质模具的设计修改和加工成本为25万美元；
4. 最后产品试生产、模具方案的定型、试生产、修正生产流程直至正式生产的周期一般为3.5－4个月;
5. 仅设计费用就节约了 2/3，设计周期缩短为原来的1/3。
航空航天是有限元和CAE技术最早发展和应用的领域，通过几十年的发展，积累了丰富的计算分析实践经验。但随着生产加工水平的提高，对产品的精度、成本要求也越来越高，过去的依靠经验+试验的方法，进行模具制造和加工控制已越来越不能满足工程需要。引进数字化模拟技术，利用CAE软件分析和优化生产制造工艺势在必行。

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钣金成型分析—冲压成型
Abaqus具有丰富的弹塑性本构材料模型和各向异性材料模型，后者主要针对板材的各向异性性质。冲头(冲模)的运动既可以用变形体也可以用刚体来模拟，各种摩擦模型和丰富的接触算法可用来处理任意复杂的三维接触面问题。同时，为了处理板材成形过程可能遇到的网格畸变问题，Abaqus还提供了网格自适应算法。

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钣金成型分析—蒙皮拉伸成型
Abaqus提供了强大的处理几何非线性的功能。可以模拟蒙皮拉伸成型中的局部大位移、大转动，以及复杂的接触算法(包括刚体—刚体，刚体—变形体，变形体—变形体，其中刚体表面还可以是解析刚体面)，并可可以实时计算相应的模具反力。

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钣金成型分析——橡皮囊成型
Abaqus提供丰富的材料本构模型，仅橡胶材料，就多达16种。同时可以很好模拟橡皮囊成型过程中的非线性问题，强大的接触算法，能够模拟任意复杂三维模型的接触问题，以及复杂的接触属性包括摩擦系数，摩擦生热等等。


钣金成型分析—超塑成型
目前几乎在所有的金属材料中都发现了超塑现象，尤其以钛合金超塑成型工艺，在航空航天上应用更多。Abaqus提供了多种本构模型适用于对各种超塑材料的研究，如率无关材料、率相关材料、各向异性材料和各向同性材料。

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钣金成型分析——弯管成型
弯管成型有冷加工和热加工两种，Abaqus具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析，热界面接触，热电耦合等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型。同时，此类成型涉及模具与加工件之间复杂的接触关系，并处理由于磨损表面单元的玻璃，以及弯管多次成型问题，都能够在Abaqus中得到很好的解决方案。


钣金成型分析——型材拉弯成型
Abaqus作为通用有限元软件，具有丰富的单元类型和本构模型。对于型材拉弯成型，不仅可以建立壳单元模型，同时可以建立实体单元模型。可以模拟拉弯成型过程中，夹具两端的大变形和大转动。

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钣金成型分析——落锤成型
落锤工艺复杂，成本高，生产周期长。对于复杂零件，可能还需要制作过渡模。经过多次落锤，退火过程，才能得到用户需要的零件尺寸。利用Abaqus可以方便模拟整个工艺过程，确定最优化的成型工艺，大大降低生产成本，缩短产品开发周期。


钣金成型分析—热成型
Abaqus具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型。

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冲压成型反求切边线
此功能由SIMULIA China独立开发的功能模块。该模块能够将切边线投影到成形前的毛料上，并根据反求得到的切边线对毛料进行剖切，使零件特征在粗网格模型中得到保留。配合Abaqus的Submodel功能，快速得到切边后零件内部的应力、应变及厚度分布。可在后续的分析中考虑成形过程的影响。


回弹计算
由于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit分别是Abaqus系列软件的隐式积分和显式积分模块，它们构建在同一个框架和平台上，支持彼此之间的数据和结果的传递，实现了真正的有机结合。因此，对于回弹问题，Abaqus可以准确计算回弹量，以及回弹后的残余应力。考虑不同工艺条件下的回弹量，分别进行模拟，确定最佳工艺过程。

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回弹修模
此功能由SIMULIA China独立开发的功能模块。零件成形误差即成形后零件型面与零件设计型面之间的偏差，是一个与空间坐标位置相关的场变量。根据成形误差调整前一次分析模型中的模具节点坐标，生成新的模具型面；根据调整后的模具型面自动建立新的分析模型。从而实现自动回弹补偿修模。


FormingFX模块
成型过程(如残余应力等)极大影响结构后继分析,如碰撞,疲劳寿命分析等，航空零部件中存在大量的钣金件，成型后的部件存在显著的硬化、局部变薄和残余应力等，考虑成型过程的影响，从而使结构分析更符合实际物理现象。
目前存在多种有效的仿真工具可以分别模拟钣金成型和结构分析，几乎没有工具可以无缝集成钣金成型和结构分析(即在结构分析中考虑成型 的影响)，通常,成型分析需要非常精细的网格，而后继结构分析则使用相对较粗糙网格，成型仿真和结构分析（碰撞、疲劳寿命分析、NVH分析等）往往是利用许多不同类型的软件实现，这就涉及到数据的共享和重复利用，从工程应用角度，各种不同类型的软件必然会使用不同的网格密度，网格形状和单元积分公式。
FormingFX模块采用高效，健壮的搜索算法和映射技术，可以将保存在Abaqus ODB或DYNAIN文件（源文件）中的成型结果映射到结构分析文件中，源文件中读出成型分析结果，然后写入结构分析文件（Abaqus inp文件） 。

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高速加工
随着现代飞机高速、高机动性能要求的不断提高，飞机的结构设计发生了较大的变化。从零件结构上看，为了减轻重量，提高飞机的结构强度和机动性能，新一代战机尽可能地采用整体结构设计。由于整体结构构件复杂，形状精度要求很高，其制造过程中最突出问题之一是存在加工变形。引起加工变形的原因很多，其中过大的切削力将直接影响加工工艺系统的变形、刀具磨损、加工精度和加工质量等是引起加工变形的重要因素之一。而在高速切削范围内，切削力随切削
速度的增加而降低，因此高速加工航空整体结构件是减小加工变形的有效手段。


但是，高速切削包含复杂的热力、机械及其耦合现象，是一个复杂的高度非线性问题，如果单纯依靠试验手段，不但耗时费力，增加生产成本，而且加工过程中的温度、应力、应变等也很难准确实时获知，而切削加工模拟则可以在计算机中再现工件和刀具相对运动的全过程，动态显示热流、相变、温度和应力等分布，克服了试验等研究方式的缺陷， 成为研究高速切削加工的有效方法。
采用Abaqus的explicit求解器，支持完全热固耦合，单元分离准则多样，能够模拟各种接触。