一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，该方法在发动机上曲轴箱体结合面的铣削加工中，合理的夹紧布局方案和夹紧力对于加工变形的控制具有重要的意义。首先对装夹的约束条件进行了探讨，其次分析了箱体加工过程的装夹工艺以及装夹载荷的计算，然后建立了发动机箱体铣削加工的有限元模型，获得箱体的装夹变形云图，最后分析了工件在不同夹紧力和布局下的加工变形，为零件加工精度的提高提供依据。
【专利说明】一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机加工领域，尤其涉及一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方 法。
【背景技术】
[0002]薄壁零件刚性差，在加工中因受切削力、夹紧力以及切削热等因素，影响极易产生 变形。因此控制加工变形是保证薄壁零件加工质量的关键。发动机箱体属于薄壁多孔类箱 体零件。有生产实践证明，对于所有的复杂箱体和薄壁类零件，装夹变形都是造成加工后平 面度、位置度达不到精度要求的重要原因之一，工件的加工误差20% -60%都是由装夹引 起的。研究表明，装夹导致的加工误差来自三方面：a)薄壁零件刚性差，加工时装夹引起弹 性变形影响表面尺寸精度和形状、位置精度；b)施加装夹过程中，装夹顺序不当或者装夹 力施加不均匀，工件定位不准，定位后的工件和理想状态存在位置和角度误差； c)装夹力 不足，工件在加工过程中会出现滑移和振动，导致加工误差乃至刀具和工件的损坏。缸体和 缸盖是发动机的主要机加对象，在设备调试和加工过程中，由于夹具夹紧力的影响，加工尺 寸会发生超差现象。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，旨在分析 夹紧力和夹紧力布局对缸体加工精度的影响，从而为控制发动机缸体中夹具的布局和夹紧 力的确定提供参考。
[0004]本发明是这样实现的，一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法包括：
[0005] 步骤一、节点四面体二次单元，采用10节点四面体二次单元对发动机箱体进行有 限兀网格划分，10节点四面体二次单元即为在原4节点四面体单元的每一条棱边上再增加 一个位于中点位置的内部节点，采用体积坐标应用Lagrange插值公式计算形状函数矩阵； [0006]步骤二、有限元模型的建立及其结果，包括几何模型及网格划分、材料属性及接触 对定义、约束定义及载荷施加；
[0007]步骤三、不同夹紧位置下装夹变形分析，包括不同夹紧位置下装夹变形分析、不同 夹紧力下装夹变形分析。
[0008] 进一步，有限元模型的建立及其结果，具体方法为：
[0009] 第一步、几何模型及网格划分：
[0010]对发动机箱体进行有限元建模时，采用虚拟拓扑方法，对整体力学性能影响小的 几何细节进行整合；
[0011]第二步、材料属性及接触对定义，将夹具和工件定义为弹性体以提高分析精度，由 于箱体尺寸大，采用弹性无接触模型来进行有限元分析；
[0012]第三步、约束定义及载荷施加，限制箱体一端面的移动自由度来限制z向移动自 由度，限制箱体左右两个缸面除z方向外的5个自由度；
[0013] 刀具对箱体的加工过程是连续的，此处基于以下假设：刀具在某工况下其铣削力 对箱体的作用是准静态，即可将连续铣削过程离散；刀具相对于铸铝合金箱体为刚性，铣削 力在箱体上均匀分布；由于考虑铣削过程材料去除量相对于整个箱体体积极其小，不考虑 加工过程中箱体刚度的变化；为计算方便，假设在铣削过程中，铣削力随着刀具的移动，只 发生位置和方向的变化，其大小保持不变；
[0014] 进一步、不同夹紧位置下装夹变形分析，具体方法为：
[0015] 第一步、计算待夹紧面面积，按照夹紧力的计算方法，得到夹紧压强并保持不变， 夹紧力位置分别为箱体左右两侧的缸孔上的不规则面分析不同工况下夹具对加工变形的 产生的影响；
[0016] 第二步、不同夹紧力下装夹变形分析，采用不同的三种装夹方案，各个方案下夹紧 压强不同，铣削力保持不变，计算箱体的加工变形。
[0017] 进一步，体积坐标的定义方式如下：对于给定的四面体，其体内任何一点G的体积 坐标：
[0018]
【权利要求】
1. 一种箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，所述的箱体结构的简 化及装夹变形仿真分析方法包括： 步骤一、节点四面体二次单元，采用10节点四面体二次单元对发动机箱体进行有限元 网格划分，10节点四面体二次单元即为在原4节点四面体单元的每一条棱边上再增加一个 位于中点位置的内部节点，采用体积坐标应用Lagrange插值公式计算形状函数矩阵； 步骤二、有限元模型的建立及结果，包括几何模型及网格划分、材料属性及接触对定 义、约束定义及载荷施加； 步骤三、不同夹紧位置下装夹变形分析，包括不同夹紧位置下装夹变形分析、不同夹紧 力下装夹变形分析。
2. 如权利要求1所述的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，有限 元模型的建立及结果，具体方法为： 第一步、几何模型及网格划分： 对发动机箱体进行有限元建模时，采用虚拟拓扑方法，对整体力学性能影响小的几何 细节进行整合； 第二步、材料属性及接触对定义，将夹具和工件定义为弹性体以提高分析精度，由于箱 体尺寸大，采用弹性无接触模型来进行有限元分析； 第三步、约束定义及载荷施加，限制箱体一端面的移动自由度来限制z向移动自由度， 限制箱体左右两个缸面除z方向外的5个自由度； 刀具对箱体的加工过程是连续的，刀具在某工况下其铣削力对箱体的作用是准静态， 即将连续铣削过程离散；刀具相对于铸铝合金箱体为刚性，铣削力在箱体上均匀分布；由 于考虑铣削过程材料去除量相对于整个箱体体积极其小，不考虑加工过程中箱体刚度的变 化；在铣削过程中，铣削力随着刀具的移动，只发生位置和方向的变化，大小保持不变。
3. 如权利要求1所述的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，不同 夹紧位置下装夹变形分析，具体方法为： 第一步、计算待夹紧面面积，按照夹紧力的计算方法，得到夹紧压强并保持不变，夹紧 力位置分别为箱体左右两侧的缸孔上的不规则面，分析不同工况下夹具对加工变形的产生 的影响； 第二步、不同夹紧力下装夹变形分析，采用不同的三种装夹方案，各个方案下夹紧压强 不同，铣削力保持不变，计算箱体的加工变形。
4. 如权利要求1所述的箱体结构的简化及装夹变形仿真分析方法，其特征在于，体积 坐标的定义方式如下：对于给定的四面体，体内任何一点G的体积坐标：
;i，j，m，p = 1，2,3,4 i ^ j ^ m ^ p 等价于 Li = hi/Hi 其中，氏为顶点i到对面的距离屯为G点到i点对应面的距离；体积Gjmp为四面体 Gjmp的体积值；Δ为给定四面体的体积； 10节点四面体单元共有30个节点位移自由度，节点位移列阵为：
由于单元有4个角节点，在每个棱边上的中点有一个中间节点，共6个，总共10个节 点，由函数构造的Pascal三角形，取单元位移场模式为： u (x, y, z) = a1+a2x+a3y+a4z+a5xy+a 6yz+a7xz+a8x2+a9y 2+a10z2 以自然坐标表示，那么单位位移场模式为： u(x, y, z) = a，jLj+a;2L2+a，3L3+a;4L4+a，5L1L2+a' 6L2L3 +￡l gL^ 10^2^4 =N1u1+N2u2+N3u 3+-+N10u10 对于角节点，相应的形状函数为： Ni = (2^-1)^(? = 1,2,3,4) 对于棱边上的中间节点，相应的形状函数为： N5 =礼山2, N6 =礼山2, N7 = 41^3 N8 =礼山4, N9 = 4L2L4, N10 = 4L3L4 得到形状函数后，按照有限元分析的标准过程即推得相应的几何矩阵、刚度矩阵、节点 等效载荷矩阵以及刚度方程。
【文档编号】G06F17/50GK104252566SQ201410508770
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】焦黎, 王西彬, 沈超群, 董朝辉, 解丽静, 刘志兵 申请人:北京理工大学