机翼颤振模型梁架加工变形研究

段振云， 戴现伟， 赵文辉， 李潇

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）

机翼颤振模型梁架加工变形研究

段振云， 戴现伟， 赵文辉， 李潇

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）

机翼颤振模型对模拟飞机动力学特性、刚度分布、质量分布与气动外形具有重要意义。其梁架的性能对飞机模拟颤振试验有着重要的影响。机翼颤振模型梁架由于尺寸大、结构复杂、刚度差，在铣削加工中变形较大，其精度难以控制。为此，借助有限元软件对其进行铣削加工仿真，获得已加工表面残余应力，进而预测梁架铣削时的加工变形。在此基础上，对梁架加工工艺进行优化，提高加工精度。

机翼颤振模型；梁架；残余应力；加工变形

0 引言

机翼颤振模型是模拟飞机动力学特性、刚度分布、质量分布与气动外形的一种缩比模型。梁架作为飞机机翼颤振模型的关键、核心部件，其性能对飞机模拟颤振试验有着重要的影响。目前，国内外对薄壁件加工变形的研究［1-5］很多，主要借助有限元模拟技术对铣削加工过程进行加工仿真，预测工件的加工变形规律。

梁架作为机翼颤振模型的主要传力件，是由前端翼梁、框架梁、骨刺和定位座组成的复杂薄壁件结构，如图1所示。梁架的外形尺寸为总体长度1 164.96 mm，总体宽度 926.8 mm，高度22.4 mm。该梁架具有以下工艺特点：

1）零件的结构复杂。存在多个框架梁结构，有数十个尺寸需要保证。

2）大量的薄壁结构。梁架的骨刺厚度是从22.4 mm至零，加工时易变形，影响梁架装配时的形位精度。

图1 机翼颤振模型梁架

3）材料去除率高。零件的质量只有毛坯重量的18%。零件在切削热、材料残余应力以及切削应力的作用下易产生变形。

4）弱刚度结构。整个零件由于要求质轻，因此梁架许多材料都被切掉。

由于残余应力会造成零件在加工后的尺寸不稳定性［6］，为此运用ANSYS/LS-DYNA软件进行切削仿真模拟，采用了一种“矫枉过正”［7］的加工方法，可以有效地模拟残余应力的大小和分布，进而得出装夹松开后由于残余应力释放对梁架的影响，旨在控制加工变形和优化加工工艺。

1 加工工艺方案

对梁架的整体结构分析，其切削内容分为铣削和线切割加工。由于该零件是薄壁件，刚性较差，在实际加工由于弱刚度等问题易产生变形，所以控制加工变形就显得尤为重要。因此加工工艺制定的合理与否直接影响到零件的加工质量。

零件加工前应先进行正火处理，目的是细化晶粒，改善切削性能。毛坯件粗铣完成后，进行调质处理（淬火+高温回火），消除零件内部残余应力的影响，可以使钢的性能得到很大程度的提高。结合零件弱刚度特点，装夹部位应该选择前、后端翼面处。由于梁架是上、下对称结构，铣削加工中需要多次切削、多次翻转工件，因此工件就需要多次装夹。由于单面粗铣加工后刚度下降较多，就需要添加辅助支撑用于完成其他切削加工工序。

此外，应对每道工序按照工艺要求进行在线测量，及时调整工艺参数，避免不合格产品转到下道工序。

2 加工残余应力的有限元模拟

2.1 切削有限元模拟

以机翼颤振模型梁架作为研究对象，建立三维切削仿真模型，如图2。由于金属切削属于高度非线性问题，所消耗的计算机时间比一般的问题要长，所以网格化处理就显得尤为重要。

图2 切削有限元分析模型

2.2 数值模拟过程及其结果

图3 铣削加工仿真时Von Mises应力云图

金属切削加工是一个复杂的切削变形过程，材料模型的精度对有限元仿真的精度有很大程度的影响，本文采用45钢 Johnson-Cook模型［8］。运用ANSYS/LS-DYNA软件进行有限元动力学仿真［9］。模拟过程中要有足够的时间使切削模拟达到稳定状态，在刀具离开工件表面后得到残余应力的数值。图3是采用LS-DYNA模拟切削的Von Mises应力云图，当刀具离开工件表面时，通过LS-PREPOST软件可以得到工件残余应力。图4～图6是退刀后梁架的残余应力应力云图。

图4 t=25s时梁架的X向应力云图

图5 t=25s时梁架的Y向应力云图

图6 t=25s时梁架的Z向应力云图

根据图4～图6可知，在模拟切削仿真中，刀具与工件的接触部分应力最高。当切削完成后，由于边界条件和内部材料约束等影响，工件表面产生残余应力随着刀具离开仍留在工件表面。然后利用有限元后处理工具来获取加工完成后工件表面残余应力数据。

3 梁架变形分析

3.1 梁架有限元模型

图7 梁架有限元模型

梁架在粗、半精铣加工仿真后其表面会产生加工残余应力，在装夹松开后，被切削部分的残余应力会释放出来，其内部为达到新的平衡，就会出现较大变形，最终会影响零件的加工精度。因此对梁架进行残余应力释放变形分析就显得很重要［10］。利用ANSYS/LS-DYNA开发的后处理工具LS-PREPOST将前面分析得到的残余应力数据提取出来，处理后作为载荷施加到梁架上进行静力分析，得到最终变形结果，建立如图7所示的有限元模型。

在切削仿真中，随着工件材料被切除，毛坯内的残余应力被逐渐释放出来，原来的自身平衡被打破，因此工件只有通过变形达到新的平衡状态。模拟时将残余应力按照“力平衡、力矩平衡”的原则沿厚度方向施加到有限元模型的表面上。由设计基准可知，以框架梁前端面为定位基准，约束该面的6个自由度。根据梁架的加工工艺路线方案可知，半精铣对称结构的切削深度均是0.5mm。通过仿真处理后的最大加工残余应力值施加到梁架上进行静力分析。

3.2 仿真结果

根据LS-PREOPST处理后提取的载荷作为梁架铣削加工时的静力分析。由图8可知，铣削加工产生的残余应力对工件的最终变形是不容忽视，最大值出现在边翼处，翼梁和前后端翼面也有部分变形。计量结果采用的是米制单位，经有限元分析可知，Z向变形量最大值为0.204 mm。

图8 对称切削深度相同时的变形结果

为了提高梁架加工质量，采用一种“矫枉过正”的加工方式。根据梁架的对称结构可知，在铣削加工中上表面半精铣的切削量要小，这是由于随着上表面材料去除，梁架的刚度变小从而增大了变形，而下表面的切削量要大于上表面，目的是为了让下表面加工时产生较大的变形量，以抵消上表面的加工变形。即在铣削加工中调整对称结构不同的切削量。

图9 对称切削深度不同时的变形结果

图9是在其他模拟条件不变的情况下将对称结构切削深度调整为0.7 mm和1 mm条件下的变形结果。

在加工工艺调整后，即改进后梁架的加工工艺路线为：下料→线切割→钻孔→正火处理→毛坯件上端面粗铣→翻转工件→毛坯下端面粗铣→调质处理→半精铣（切削深度为0.7 mm）→翻转到另一面进行半精铣（切削深度为1 mm）→线切割→完成。

在此基础上，梁架在Z向的变形量最大值为0.0918mm。变形减至对称结构切削深度相同时的45%，可知合理的对称切削深度能有效地提高梁架的加工质量。

4 结论

本文针对机翼颤振模型梁架的结构特点，对其进行结构工艺性分析，确定加工工艺方案。对梁架的薄壁、质轻等弱刚度结构，借助ANSYS/LS-DYNA软件进行动态铣削加工仿真，分析加工残余应力对其变形影响，采用了一种“矫枉过正”的加工方式来控制加工变形的方法，并利用后处理工具LS-PREOPST处理后提取的载荷作为梁架铣削加工时的静力分析。在此基础上，对梁架加工工艺进行优化，提高了加工精度。

［1］ Budak E，Altinas Y.Modeling and avoidance of static form errors in peripheral milling of plates［J］.International Journal of Machine Tools＆Manufacture，1995，35（3）：459-476.

［2］ 万敏，张卫红.薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究［J］.航空学报，2005，26（5）：598-603.

［3］ 武凯，何宁，廖文和，等.薄壁腹板加工变形规律及其变形控制方案的研究［J］.中国机械工程，2004，15（8）：670-674.

［4］ WangZhaojun，ChenWuyi，ZhangYidu，etal.Studyonthemachining distortion of thin-walled part caused by redistributionof residual stress［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2005，18（2）：175-179.

［5］ 陈远权，高健.基于ANSYS/LS-DYNA的叶片加工变形分析研究［J］.机械设计与制造，2010（10）：101-103.

［6］ 陈蔚芳，陈华，楼佩煌，等.薄壁件加工变形控制快速仿真平台开发［J］.计算机集成制造系统，2009，15（2）：321-327.

［7］ 李欣.控制零件加工变形的措施［J］.产品与技术，2012（4）：98-99.

［8］ 陈刚，陈忠富，陶俊林，等.45钢的Johnson-Cook失效参量［C］//中国力学学会学术大会，2005.

［9］ Fish J，Oskay C，Fan R.AL 6061-T6-Elastomer Impact Simulations［R］//RPI Research Reports，2005.

［10］ 李国和.基于ANSYS/LS-DYNA的金属切削过程有限元模拟［J］.农业机械学报，2007（12）：173-176.

（编辑昊 天）

Research on Machining Distortion of Wing Flutter Model Beams

DUAN Zhenyun， DAI Xianwei， ZHAO Wenhui， LI Xiao
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China）

Wing flutter model is important for simulating aircraft dynamics,stiffness distribution,mass distribution and aerodynamic shape.The performance of the beams has an important impact on aircraft flutter simulation test.Accuracy of wing flutter model beams is difficult to control due to size large,complex structure,stiffness difference in milling large deformation.For this reason,finite element software is used to carry out its milling simulation and obtain the machined surface residual stress,machining deformation of beams milling is predicted.On this basis,the processing technology of the beams is optimized to improve machining accuracy.

wing flutter model；beams；residual stress；machining distortion

TH 162

A

1002－2333（2014）05－0113－03

段振云（1971—），男，教授，博士生导师，工学博士学位，新能源学院副院长，学科带头人，研究方向为现代制造技术；戴现伟（1986-），男，硕士研究生，研究方向为机械工程。

2013-12-17

国家自然科学基金资助项目（51275073）