導(dǎo)語：航空鈑金模具設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：采用有限元分析算法來設(shè)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(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：鈑金模具；有限元；設(shè)計

在航空制造領(lǐng)域，鈑金零部件應(yīng)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(jié)構(gòu)中最重要和最關(guān)鍵的零部件，大約占飛機所有零部件總數(shù)的50%以上。在航空制造過程中，鈑金零部件由于具有質(zhì)量好和成本低的優(yōu)點，應(yīng)用比例越來越高。由于航空制造業(yè)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(fù)雜形狀居多，導(dǎo)致設(shè)計及數(shù)控加工的難度倍增，這也一定程度決定了鈑金模具的設(shè)計周期非常長和設(shè)計難度非常大。如何提高鈑金模具的設(shè)計質(zhì)量和降低設(shè)計工作的勞動強度，同時提高設(shè)計效率，是擺在鈑金模具設(shè)計工程師面前的一大難題。在飛機鈑金模具設(shè)計中，具有鈑金零部件種類繁多并且形狀復(fù)雜的特點，一般生產(chǎn)批量非常小和批次多，且隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，飛機鈑金零部件自由曲面和形狀不規(guī)則的所占比例越來越高，這就導(dǎo)致了鈑金模具設(shè)計工程師工作任務(wù)非常重。目前的鈑金模具設(shè)計技術(shù)與達(dá)到實用化水平還有很大差距[1]，鈑金模具設(shè)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(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算的[2]，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，有限元分析算法由于其效率高的優(yōu)點幾乎應(yīng)用于所有的科學(xué)和工程計算領(lǐng)域，是當(dāng)今工程界應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值分析算法，它具有比較好的通用性和有效性，在機械設(shè)計領(lǐng)域也應(yīng)用十分廣泛。有限元分析是基于變分原理的一種求解數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值計算方法，采用的基本數(shù)學(xué)思想是將連續(xù)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(yōu)解。有限元分析的計算步驟分為3步：1）預(yù)處理。根據(jù)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(qū)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(shù)、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(quán)殘值和泛函極值等兩種方法，利用數(shù)值離散技術(shù)，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(jié)點完成的，狀態(tài)變量及導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性是建立在上面的節(jié)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(jié)果是單元節(jié)點處狀態(tài)變量的無限近似值。3）求解值的評價。要對所有的解依據(jù)科學(xué)的準(zhǔn)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(shè)計中更好地應(yīng)用這些結(jié)果。

2鈑金模具快速設(shè)計系統(tǒng)

航空鈑金模具數(shù)學(xué)建模的思想是先根據(jù)鈑金零部件的幾何屬性來確定型面曲面[3]，然后再根據(jù)曲面分割參數(shù)化后的實體模型（實體模型是根據(jù)鈑金零部件的曲面輪廓進行參數(shù)化變換來的）導(dǎo)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(fā)生，當(dāng)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(yīng)力也會不斷地變化，毛坯中的徑向力為拉應(yīng)力，而周邊的周向應(yīng)力則會在凹模圓角附近變?yōu)閴簯?yīng)力，毛坯中心則從法蘭部分到毛坯的中心由壓應(yīng)力不斷地轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。由于受到的應(yīng)力不斷地變化，而且這些應(yīng)力的變化是非線性的，這些應(yīng)力的變化數(shù)學(xué)理論支撐較少，大多依靠航空制造企業(yè)的機械工程師的經(jīng)驗判斷，這就導(dǎo)致了鈑金零部件在變形過程中容易發(fā)生破裂和起皺，嚴(yán)重影響到飛機鈑金零部件的機械加工質(zhì)量，大幅降低了生產(chǎn)效率，航空制造企業(yè)的市場競爭力也隨之弱化。在本文分析的鈑金模具快速設(shè)計系統(tǒng)中，首先要對設(shè)計中重要的幾個參數(shù)進行研究，毛坯料的直徑和拉深系數(shù)的計算、壓力中心線的基準(zhǔn)平面的計算以及異形拉深件成形的關(guān)鍵參數(shù)研究。在異形拉深件的成形過程中，主要研究的參數(shù)包括毛坯尺寸、凸凹模圓角、拉深高度和壓邊力等幾個關(guān)鍵參數(shù)。異形件以及數(shù)量眾多的復(fù)雜曲面鈑金零部件一般由很多曲面組成，形狀復(fù)雜，數(shù)學(xué)建模困難，毛坯尺寸的計算用人工方式就已經(jīng)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?qū)?fù)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(dāng)?shù)卦黾油鼓５膱A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(xué)，過大或者過小都將會出現(xiàn)問題，要么拉裂要么起皺，會嚴(yán)重制約鈑金零部件模具設(shè)計生產(chǎn)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(guān)重要，要在盡量保證鈑金零部件滿足質(zhì)量要求的前提下盡可能地減小壓邊力，設(shè)計出合理的適當(dāng)小的壓邊力能夠防止材料變薄的嚴(yán)重程度，減小材料破裂的風(fēng)險，提高產(chǎn)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(wǎng)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)致鈑金零部件的產(chǎn)品合格率偏低，機械加工質(zhì)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(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接相關(guān)，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(jù)經(jīng)驗，變形劇烈的區(qū)域通常要劃分較多的網(wǎng)格，一般情況下在凹模圓角處毛坯的網(wǎng)格要多于3個，變形程度不嚴(yán)重的區(qū)域可以劃分較少的網(wǎng)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(shè)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(fā)生應(yīng)力太過集中導(dǎo)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(jié)語

本文利用有限元分析數(shù)學(xué)工具，來解決鈑金模具設(shè)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(shù)化設(shè)計應(yīng)用研究[J].機械設(shè)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(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，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(shù)研究[J].中國制造業(yè)信息化，2012（11）：47-49；52.

作者:劉金時 單位:沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司