一种大尺寸弧形件喷丸变形的计算方法与流程

本发明涉及弧形件变形计算技术领域，具体的说，是一种大尺寸弧形件喷丸变形的计算方法。

背景技术：

大尺寸薄壁弧形件是飞机机身重要结构件，具有尺寸大、壁薄、壁厚变化复杂等特点。根据工艺要求，弧形件表面需进行喷丸强化处理，以提高弧形件的疲劳性能，改变弧形件的表面状态。喷丸强化作为一种重要的表面处理技术，在现代航空制造中越来越重要，已成为重点研究内容之一。在大量实际生产及试验过程中发现，由于弧形件的结构特点及喷丸产生的残余应力的影响，喷丸工艺完成后构件容易发生变形，无法满足图纸要求的轮廓度，同时从功能上无法满足装配需求，弧形件报废率高达50％-60％，超差率达80％以上，对弧形件喷丸变形的预测是喷丸强化领域的一大难题，缩减报废率具有很大的经济价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大尺寸弧形件喷丸变形的计算方法，能够在喷丸工艺处理前，高效、快速、准确的预测不同喷丸参数下大尺寸零件的变形，为喷丸方案的制定和优化提供参考和依据。

本发明通过下述技术方案实现：一种大尺寸弧形件喷丸变形的计算方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：试验检测；

步骤s2：有限元多弹丸模拟；

步骤s3：诱导应力库的建立；

步骤s4：大尺寸薄壁弧形件的喷丸变形计算；具体是指：通过建立理论模型预测薄壁弧形件喷丸变形。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s4具体包括以下步骤：

步骤s41：根据弧形件的结构特点，将其简化为轴线为弧线、横截面为t形且相对轴线平面对称的变截面曲梁；

步骤s42：建立坐标系，将弧形件轴线设定为s轴；沿横截面法向设定为x轴、弧形件横截面的对称轴设定为y轴、垂直于s轴和y轴且在横截面设定为z轴；

步骤s43：计算等效轴向力和弯矩；

n(s)＝∫aσxda，m(s)＝∫aσxyda；(1)；

其中，y是距中性层距离；

a为弧形件的横截面面积；

σx为与边界上约束力相平衡的等效轴向力n和弯矩m；

步骤s44：计算边界条件撤出后弧形件变形微分方程为：

其中：jz＝∫ay²/(1-y/r)da(3)；

e为材料弹性模量；

r为弧形件的轴线半径；

u为弧形件的平面弯曲变形用横截面的形心沿着s轴的位移；

v为弧形件的平面弯曲变形用横截面的形心沿着y轴的位移；

当r→∞时，曲梁变为直梁，jz为截面惯性矩，由式(2)解得u和v，即弧形件沿轴线弯曲及延展变形；

步骤s45：利用python语言建立弧形件刚度模型，并结合喷丸诱导应力得到变形量。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s1具体是指：利用xrd残余应力检测设备或电解腐蚀剥层法对喷丸工艺参数处理后的试片表面残余应力进行检测，得到沿着厚度方向的残余应力曲线。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s2具体是指：利用大型有限元软件abaqus进行随机多弹丸撞击靶材的有限元模拟，并提取喷丸诱导应力曲线；

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s3具体是指：试验检测残余应力结合多弹丸有限元模拟，建立各种喷丸工艺参数的喷丸诱导应力数据库，所述的诱导应力数据库为大尺寸薄壁弧形件喷丸变形理论计算提供初始应力。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述喷丸工艺参数包括外形外表面喷丸参数、外形内表面喷丸参数以及腹板喷丸参数；所述外形外表面喷丸参数包括外形外表面喷丸压力、外形外表面喷丸每分钟喷丸量、外形外表面弹丸直径以及外形外表面喷丸角度；所述外形内表面喷丸参数包括外形内表面喷丸压力、外形内表面喷丸每分钟喷丸量、外形内表面弹丸直径以及外形内表面喷丸角度；所述腹板喷丸参数包括腹板喷丸压力、腹板喷丸每分钟喷丸量、腹板弹丸直径以及腹板喷丸角度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明能够在喷丸工艺处理前，高效、快速、准确的预测不同喷丸参数下大尺寸零件的变形，为喷丸方案的制定和优化提供参考和依据。

附图说明

图1为本发明中弧形件坐标系的示意图；

图2为本发明中弧形件的侧视图；

图3为本发明中某喷丸参数下的残余应力曲线；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1-图3所示，一种大尺寸弧形件喷丸变形的计算方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：试验检测；

步骤s2：有限元多弹丸模拟；

步骤s3：诱导应力库的建立；

步骤s4：大尺寸薄壁弧形件的喷丸变形计算；具体是指：通过建立理论模型预测薄壁弧形件喷丸变形。

需要说明的是，通过上述改进，采用传统的线切割方式，切割一定形状的铝合金试片，并对其表面进行光滑处理，切割试片；对于切割后的采用传统的线切割方式，切割一定形状的铝合金试片，表面进行光滑处理，切割试片使用常规的喷丸工艺参数对试片进行喷丸；利用xrd残余应力检测设备和电解腐蚀剥层法对喷丸后的铝合金试片表面残余应力进行检测，得到沿着厚度方向的残余应力曲线，其残余应力曲线如图2所示。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化如图1所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s4具体包括以下步骤：

步骤s41：根据弧形件的结构特点，将其简化为轴线为弧线、横截面为t形且相对轴线平面对称的变截面曲梁；

步骤s42：如图1、图2所示，建立坐标系，将弧形件轴线设定为s轴；沿横截面法向设定为x轴、弧形件横截面的对称轴设定为y轴、垂直于s轴和y轴且在横截面设定为z轴；

步骤s43：计算等效轴向力和弯矩；

n(s)＝∫aσxda，m(s)＝∫aσxyda；(1)；

其中，y是距中性层距离；

a为弧形件的横截面面积；

σx为与边界上约束力相平衡的等效轴向力n和弯矩m；

步骤s44：计算边界条件撤出后弧形件变形微分方程为：

其中：jz＝∫ay²/(1-y/r)da(3)；

e为材料弹性模量；

r为弧形件的轴线半径；

u为弧形件的平面弯曲变形用横截面的形心沿着s轴的位移；

v为弧形件的平面弯曲变形用横截面的形心沿着y轴的位移；

当r→∞时，曲梁变为直梁，jz为截面惯性矩，由式(2)解得u和v，即弧形件沿轴线弯曲及延展变形；

步骤s45：利用python语言建立弧形件刚度模型，并结合喷丸诱导应力得到变形量。

需要说明的是，通过上述改进，弧形件刚度模型的建立主要是通过弧形件结构参数和弧形件材料参数确定，对于喷丸诱导应力主要通过弧形件材料参数和喷丸强化工艺参数确定；

利用python语言结合弧形件结构参数和弧形件材料参数建立弧形件刚度模型，并同时利用python语言结合形件材料参数和喷丸工艺参数得出喷丸诱导应力，通过弧形件刚度模型和喷丸诱导应力进而计算出弧形件变形量。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图3所示，进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s1具体是指：利用xrd残余应力检测设备或电解腐蚀剥层法对喷丸工艺参数处理后的试片表面残余应力进行检测，得到沿着厚度方向的残余应力曲线。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s2具体是指：利用大型有限元软件abaqus进行随机多弹丸撞击靶材的有限元模拟，并提取喷丸诱导应力曲线；

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s3具体是指：试验检测残余应力结合多弹丸有限元模拟，建立各种喷丸工艺参数的喷丸诱导应力数据库，所述的诱导应力数据库为大尺寸薄壁弧形件喷丸变形理论计算提供初始应力。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述喷丸工艺参数包括外形外表面喷丸参数、外形内表面喷丸参数以及腹板喷丸参数；所述外形外表面喷丸参数包括外形外表面喷丸压力、外形外表面喷丸每分钟喷丸量、外形外表面弹丸直径以及外形外表面喷丸角度；所述外形内表面喷丸参数包括外形内表面喷丸压力、外形内表面喷丸每分钟喷丸量、外形内表面弹丸直径以及外形内表面喷丸角度；所述腹板喷丸参数包括腹板喷丸压力、腹板喷丸每分钟喷丸量、腹板弹丸直径以及腹板喷丸角度。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例为本发明的最佳实施例：如图1-图3所示，一种大尺寸弧形件喷丸变形的计算方法，具体包括以下步骤：

步骤s1：试验检测；所述步骤s1具体是指：利用xrd残余应力检测设备或电解腐蚀剥层法对喷丸工艺参数处理后的试片表面残余应力进行检测，得到沿着厚度方向的残余应力曲线。所述喷丸工艺参数包括外形外表面喷丸参数、外形内表面喷丸参数以及腹板喷丸参数；所述外形外表面喷丸参数包括外形外表面喷丸压力、外形外表面喷丸每分钟喷丸量、外形外表面弹丸直径以及外形外表面喷丸角度；所述外形内表面喷丸参数包括外形内表面喷丸压力、外形内表面喷丸每分钟喷丸量、外形内表面弹丸直径以及外形内表面喷丸角度；所述腹板喷丸参数包括腹板喷丸压力、腹板喷丸每分钟喷丸量、腹板弹丸直径以及腹板喷丸角度。

步骤s2：有限元多弹丸模拟；所述步骤s2具体是指：利用大型有限元软件abaqus进行随机多弹丸撞击靶材的有限元模拟，并提取喷丸诱导应力曲线；

步骤s3：诱导应力库的建立；所述步骤s3具体是指：试验检测残余应力结合多弹丸有限元模拟，建立各种喷丸工艺参数的喷丸诱导应力数据库，所述的诱导应力数据库为大尺寸薄壁弧形件喷丸变形理论计算提供初始应力。

步骤s4：大尺寸薄壁弧形件的喷丸变形计算；具体是指：通过建立理论模型预测薄壁弧形件喷丸变形。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s4具体包括以下步骤：

步骤s41：根据弧形件的结构特点，将其简化为轴线为弧线、横截面为t形且相对轴线平面对称的变截面曲梁；

步骤s42：建立坐标系，将弧形件轴线设定为s轴；沿横截面法向设定为x轴、弧形件横截面的对称轴设定为y轴、垂直于s轴和y轴且在横截面设定为z轴；

步骤s43：计算等效轴向力和弯矩；

n(s)＝∫aσxda，m(s)＝∫aσxyda；(1)；

其中，y是距中性层距离；

a为弧形件的横截面面积；

σx为与边界上约束力相平衡的等效轴向力n和弯矩m；

步骤s44：计算边界条件撤出后弧形件变形微分方程为：

其中：jz＝∫ay²/(1-y/r)da(3)；

e为材料弹性模量；

r为弧形件的轴线半径；

u为弧形件的平面弯曲变形用横截面的形心沿着s轴的位移；

v为弧形件的平面弯曲变形用横截面的形心沿着y轴的位移；

当r→∞时，曲梁变为直梁，jz为截面惯性矩，由式(2)解得u和v，即弧形件沿轴线弯曲及延展变形；

步骤s45：利用python语言建立弧形件刚度模型，并结合喷丸诱导应力得到变形量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。