航空鈑金模具設計研究

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摘要：采用有限元分析算法來設計鈑金模具，重點解決凸凹模問題，較好解決拉深中的斷裂和起皺，具有較高的應用價值。

關鍵詞：鈑金模具；有限元；設計

在航空制造領域，鈑金零部件應用非常廣泛。鈑金零部件一般包括蒙皮類、梁類、框肋類和壁板類等幾大類。鈑金零部件是飛機整機結構中最重要和最關鍵的零部件，大約占飛機所有零部件總數的50%以上。在航空制造過程中，鈑金零部件由于具有質量好和成本低的優點，應用比例越來越高。由于航空制造業的特殊性，鈑金零部件體積一般都非常大，形狀多以自由曲面等復雜形狀居多，導致設計及數控加工的難度倍增，這也一定程度決定了鈑金模具的設計周期非常長和設計難度非常大。如何提高鈑金模具的設計質量和降低設計工作的勞動強度，同時提高設計效率，是擺在鈑金模具設計工程師面前的一大難題。在飛機鈑金模具設計中，具有鈑金零部件種類繁多并且形狀復雜的特點，一般生產批量非常小和批次多，且隨著現代航空技術的發展，飛機鈑金零部件自由曲面和形狀不規則的所占比例越來越高，這就導致了鈑金模具設計工程師工作任務非常重。目前的鈑金模具設計技術與達到實用化水平還有很大差距[1]，鈑金模具設計的很多瓶頸問題還未攻克。

1有限元分析簡介

有限元分析最初是應用于航空器的結構強度計算的[2]，隨著計算機技術的高速發展，有限元分析算法由于其效率高的優點幾乎應用于所有的科學和工程計算領域，是當今工程界應用最為廣泛的數值分析算法，它具有比較好的通用性和有效性，在機械設計領域也應用十分廣泛。有限元分析是基于變分原理的一種求解數學物理問題的數值計算方法，采用的基本數學思想是將連續的求解域離散成為一組有限單元的組合體，這些組合體能無限逼近求解域，找到最優解。有限元分析的計算步驟分為3步：1）預處理。根據具體的工程問題要定義求解模型，一般包括這些方面：定義幾何區域、定義單元類型、定義單元的材料屬性、定義單元的幾何屬性、定義單元的連通性、定義單元的基函數、定義邊界條件、定義載荷。2）求解過程。求解的原理是采用加權殘值和泛函極值等兩種方法，利用數值離散技術，將單元封裝到整個離散域的總矩陣方程中，封裝是在相鄰的單元節點完成的，狀態變量及導數的連續性是建立在上面的節點處，總矩陣方程的求解可以用直接法和迭代法兩種，求解結果是單元節點處狀態變量的無限近似值。3）求解值的評價。要對所有的解依據科學的準則進行分析和評價，對所有解進行分析和評價是為了后面工程設計中更好地應用這些結果。

2鈑金模具快速設計系統

航空鈑金模具數學建模的思想是先根據鈑金零部件的幾何屬性來確定型面曲面[3]，然后再根據曲面分割參數化后的實體模型（實體模型是根據鈑金零部件的曲面輪廓進行參數化變換來的）導出模具的模體。鈑金零部件在拉深時，尤其是球型類的零部件，毛坯會有塑性變形發生，當最開始拉深時自由表面會非常大，這個自由表面會隨著凸模的下降自動減小，在變形過程中受到的應力也會不斷地變化，毛坯中的徑向力為拉應力，而周邊的周向應力則會在凹模圓角附近變為壓應力，毛坯中心則從法蘭部分到毛坯的中心由壓應力不斷地轉化為拉應力。由于受到的應力不斷地變化，而且這些應力的變化是非線性的，這些應力的變化數學理論支撐較少，大多依靠航空制造企業的機械工程師的經驗判斷，這就導致了鈑金零部件在變形過程中容易發生破裂和起皺，嚴重影響到飛機鈑金零部件的機械加工質量，大幅降低了生產效率，航空制造企業的市場競爭力也隨之弱化。在本文分析的鈑金模具快速設計系統中，首先要對設計中重要的幾個參數進行研究，毛坯料的直徑和拉深系數的計算、壓力中心線的基準平面的計算以及異形拉深件成形的關鍵參數研究。在異形拉深件的成形過程中，主要研究的參數包括毛坯尺寸、凸凹模圓角、拉深高度和壓邊力等幾個關鍵參數。異形件以及數量眾多的復雜曲面鈑金零部件一般由很多曲面組成，形狀復雜，數學建模困難，毛坯尺寸的計算用人工方式就已經非常困難了，而且費時費力，效率非常低下，而利用有限元分析方法就非常方便高效，有限元分析能夠對復雜的薄壁類鈑金件的曲面進行展開，這樣就能通過反向計算來計算毛坯的尺寸。而對于凸凹模圓角，由于不同的金屬材料抗拉強度高低不同，對于抗拉強度較低的金屬材料，過小的凹模圓角就會非常容易把毛坯材料拉裂，而凸模和毛坯材料如果接觸部分太小的話，則會非常容易起皺，所以要適當地增加凸模的圓角半徑就可以大幅降低起皺的概率和減輕起皺的程度。圓角半徑的選擇必須科學，過大或者過小都將會出現問題，要么拉裂要么起皺，會嚴重制約鈑金零部件模具設計生產的效率。異形拉深件在拉深成形過程中，都會伴隨著材料變薄的過程，所以壓邊力對成形過程至關重要，要在盡量保證鈑金零部件滿足質量要求的前提下盡可能地減小壓邊力，設計出合理的適當小的壓邊力能夠防止材料變薄的嚴重程度，減小材料破裂的風險，提高產品合格率。有限元模型的建立過程：異形鈑金件一般毛坯的尺寸都非常大，為了保證有限元分析的計算精度，對于網格的劃分要盡可能地密集，這樣就會消耗非常多的計算資源，同樣也會導致計算時間的大幅增加，所以為了提高工作效率，在保證模擬計算質量的前提下，對毛坯只建立部分的模型，這樣可以大幅提高計算效率。通常情況下，異形拉深鈑金件在機械加工中容易底部破裂導致鈑金零部件的產品合格率偏低，機械加工質量不高，效率低下，大幅增加機械加工的成本。由于鈑金零部件在成形過程中通常會有較大的形變，模擬結果的準確性與網格質量好壞直接相關，所以在每個小單元的計算上采用縮減線性積分的算法。根據經驗，變形劇烈的區域通常要劃分較多的網格，一般情況下在凹模圓角處毛坯的網格要多于3個，變形程度不嚴重的區域可以劃分較少的網格。通過以上分析，異形鈑金零部件在沖壓成形模擬分析中，對于凸凹模的設計加工非常重要，實驗過程中，要去除毛坯件的邊緣毛刺，避免成形過程中發生應力太過集中導致的破裂，摩擦的影響對異形鈑金零部件也是非常重要的，可以采用潤滑劑涂在毛坯件的邊緣和在表面覆蓋潤滑薄膜來保證摩擦力的分布均勻。

3結語

本文利用有限元分析數學工具，來解決鈑金模具設計問題，通過實驗分析，本文方法具有較高的可靠性和高效率，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]王大斌，朱文華，魏丕光.基于知識工程的參數化設計應用研究[J].機械設計與制造，2010（9）：42-44.

[2]劉光偉，萬世明，何萬飛，等.論航空鈑金模具數字化設計制造技術的發展[J].航空制造技術，2009（20）：42-47.

[3]吉晶晶，廖文和，郭宇，等.飛機鈑金特征自動化建模技術研究[J].中國制造業信息化，2012（11）：47-49；52.

作者:劉金時 單位:沈陽飛機工業（集團）有限公司