薄壁筒类零件刚度表述模型的研究

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1、学术论文RESEARCH薄壁筒类零件刚度表述模型的研究RigidityExpressionModelResearchofBarrelThin—WalledParts北京航空航天大学机械制造及自动化学院张婷陈五一【摘要】建立了一端约束的薄壁筒类零件的有限元模型，采用多因素正交设计法及回归分析法获取了薄壁筒类零件刚度计算的经验公式。该公式使得静刚度的表述仅与材料弹性模量及零件几何参数有关，易于在数据库中存储和查询，方便修正切削参数。关键词：薄壁筒有限元仿真刚度经验公式IABSTRACTJThefiniteelementmodelofth

2、in·walledbarrellikepanswasestablished，themulti-factororthogonaldesignmethodandtheregressionanalysismethodwereusedtoobtainallempiricalformulaforeal—culatingtherigidityofthepans．Theexpressionofthestaticrigiditywasobtainedonlywithelasticmodulusandgeometricparametersofthep

3、arts．Theexpressionmodelwouldbeeasytobestoredandsearchedinthedatabaseandtobeusedtorevisethecuttingparameters．Keywords：Thin-walledpartsFiniteelementSim-ulafionRigidityEmpiricalformula随着航空工业的发展，复杂结构薄壁类零件逐渐成为航空工业中的重要零部件。这类零件刚性差、对精度要求高，对加工过程中的各种因素十分敏感，极易产生变形，影响产品质量”J。因此，加工此

4、类零件时需要对传统的未考虑零件刚度的切削参数进行修正，以满足弱刚性零件加T的需要。依据刚度信息修正切削参数，需要定量及定性地表达零件的刚度信息。文献【2】将零件刚度作为一个模糊的变量，用模糊集合与隶属度函数来描述。该方法可以在设计阶段预测零件的实际刚度状态。但是，该方法针对零件的具体区域未能表达出准确的刚度量值，因而不能为切削参数修正提供数值依据。有限元理论中的刚度矩阵可以较为精确地表达零件抵抗变形的能力9l。对于大型零件，有限元单元划分较多，导致刚度矩阵庞大、难以存储和表述；针对具体加工特征，难以快速获得加工特征的刚度信息，使得切

5、削参数的修正存在困难。为解决这一问题，本课题以薄壁筒类零件为例，提出了一种基于切削参数修正的简易刚度表述模型。78航空制造技术·2010年第9期1刚度计算模型的提出薄壁筒类零件在加工过程中一般受径向集中载荷。在径向集中载荷作用下，薄壁零件主要在径向产生变形，径向刚性较差。将薄壁零件的刚度表示为径向作用力与该作用力下引起的径向位移之比，即：K=F／AU。影响薄壁筒刚度性能的几何参数较多，有壁厚f、外径D、筒长L，测量点M的位置m、材料的弹性模量E对刚度值也有重要影响。典型的薄壁筒几何尺寸图如图l所示。D图1薄壁筒几何尺寸圈Fig．1G

6、eometricsizeofthin-walledbarrel薄壁筒类零件是轴对称零件．垂直于轴线的同一圆周上点的刚度相同。因此，可以用母线上各点刚度代表整个薄壁筒各处刚度值。为了便于数值计算结果的比较，取L=200mm定长简，研究外径为D、壁厚为，的薄壁筒母线上任意一点(M点)的刚度计算公式。由于薄壁简类零件各几何参数与刚度呈非线性关系，现假设薄壁筒刚度计算公式为：妊GE／7'向矿。(1)式中，置为薄壁筒M点刚度，N／ram；G为刚度计算系数；E为材料的弹性模量MPa，这里取E=210000MPa；D为薄壁筒外径，mm；t为薄壁筒

7、壁厚，mm；m为M点距离下底面距离，nnll；cl、c2、c3为待定指数。2有限元模型的建立为简化计算，现做出几点基本假设“I：(1)假设切削厚度明显小于薄壁筒件壁厚，因此可忽略已加工表面与待加工表面的壁厚差，按等壁厚计算；(2)假设整个加工过程中刀保持锋利，即不考虑刀具磨损；(3)假设材料是完全各向同性的。在ABAQUS有限元软件中采用三维建模方法，可以建立薄壁圆筒类零件的实体模型。选择四面体单元自由网格划分技术划分网格。自由网格划分技术具有很强的灵活性，特别适用于复杂形状和狭窄区域的网格划分，可以分析大变形和大应变等问题，符合工

8、程实际，满足薄壁筒类零件的数值模拟计算分析的需要。四面体单元每个节点有6个自由度，即沿节点坐标X、J，和z方向的平动和绕x、Y和z轴的转动((，1、沈、U3、URl、UR2、UR3o假设薄壁筒一端完全约束，即UI=U2=U3=URl=