钣金数字化展开与优化排样及其工艺约束处理技术研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文钣金数字化展开与优化排样及其工艺约束处理技术研究专业：机械制造及其自动化博士生：刘桥生导师：习俊通教授上海交通大学机械与动力工程学院2015年3月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityRESEARCHONSHEETMETALDIGITIZEDUNFOLDINGANDOPTIMALNESTINGTECHNOLOGIESWITHPROCESSCONSTRAINTSAuthor:QiaoshengLiuAdvisor:Prof.JuntongXiSpecialty:MechanicalEng

2、ineeringSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityMarch,2015上海交通大学博士学位论文钣金数字化展开与优化排样及其工艺约束处理技术研究摘要钣金加工是机械生产中的一个重要组成部分，钣金制件在航空航天、船舶制造、汽车等行业中有着十分广泛的应用。以航空工业为例，钣金零件作为现代飞机机体的重要组成部分，一般占整机零件总数的50%以上，因其具有结构复杂、精度要求高、多品种小批量等特点，该类零件的制造工时通常要占到整架飞机总工时的15%，因此钣金零件的制造过程将直接影响着飞机的整机质量与生产周期。在钣金零件的制

3、造过程当中，展开与排样是其中十分重要的两道工序。仍以飞机制造为例，飞机机体中大量使用的蒙皮、隔框、翼肋等典型零件使得传统的图解法、解析法和经验法等展开技术已很难适应现代飞机研制的要求，而飞机制造中普遍采用的多品种小批量的生产模式则迫切地需要采用良好的优化排样技术以提高板材切割下料时的经济性。基于航空航天钣金件制造的上述特点与现状，本文将着重选取该领域中的几种典型的钣金零件为研究对象，以提高方法的通用性、效率和自动化程度为研究目标，研究面向航空航天及船舶制造行业的钣金展开及优化排样技术，进而为实现这一领域的钣金数字化制造打下坚实基础。零件种类繁多是航空航天类钣金件的一个重要特征，这一

4、特征导致不同类型零件展开时需要采用不同的算法来处理。为保证展开算法良好的通用性，本文选择采用三角化网格曲面作为展开模型，通过引入基于高斯曲率的曲面可展性评价标准，将被展曲面分为易展曲面和复杂（难展）曲面两大类型进行处理。对于曲面可展程度较好的钣金零件，本文采用基于弹簧-质子模型的能量法进行展开。针对传统能量法展开速度过慢这一缺陷，本文开发了一种基于可变步长的变形能释放算法，该算法通过动态调整步长来主动释放网格变形所产生的弹性能，显著提高了展开效率；根据能量法独特的“涟漪法”展开机制，本文提出了层次化展开方法来消除累积误差，提高了算法的鲁棒性；通过对自动展开结果进行适当工艺修正来进一

5、步提高展开精度。算法选取典型的框肋类飞机钣金第I页摘要件为展开对象，对直弯边、凸弯边、凹弯边等子类型浅弯边零件进行展开验证，实验结果表明当网格曲面的可展程度值介于0.9985与1时零件展开前后的面积和边长损失几乎为零，相比现有的专用框肋类零件展开算法，本文算法可省去大量的特征选取、截面生成等交互操作，算法的展开效率、通用性和自动化程度均有很大提高。对于以拉深件为代表的复杂型面钣金零件展开，现有的几何展开方法普遍存在展开效果易受曲面几何形状影响的问题。基于此，本文提出了采用As-Rigid-As-Possible(ARAP)网格参数化方法来进行展开求解的思路。在引入网格参数化变形能的

6、一般函数表达式后，本文采用了互协方差矩阵法来求取单个三角面片变形时的局部刚体变换矩阵，通过最小化整体变形能来实现曲面的最优展开。实验证明ARAP算法展开复杂曲面时仍拥有良好的保形与保面积特性，可有效求解因零件形状存在垂直壁结构、狭长类形状、扣边、缺口等局部特征而易导致展开计算失败的问题，算法不易受零件几何特征的影响，可快速稳定地为进一步的形状优化提供一个良好的几何初始展开解。针对航空航天钣金件多品种小批量的下料模式，本文首先从矩形件排样入手，采用了最佳匹配方法为基础排样算法。针对单纯最佳匹配排样时易出现“塔”式效应的问题，本文采用遗传算法对排样结果的顶部序列进行优化，通过局部优化的

7、方式使得算法在处理大规模矩形排样问题时仍能快速获得一个良好的排样方案。在此基础上，本文以临界多边形方法为判交工具，利用压缩算法和零件组合操作，将算法进一步推广到了不规则件排样中，实现了最佳匹配策略从矩形件排样到不规则件排样的自然过渡，提高了算法的通用性。针对钣金切割下料过程中存在的板材纤维方向约束、切割损耗、共边切割等主要工艺约束，本文建立起了对应的排样规则并将其集成入已开发的基础排样算法中，最终算法可在考虑主要工艺约束下对航空及船舶矩形件和异形件进行快速优化排样。基