【文章內(nèi)容簡介】 工程中也獲得了廣泛的應(yīng)用。物體在線彈性時，其應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系。但是當物體產(chǎn)生塑性變形后，塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系。此外，根據(jù)塑性理論，它們之間已不再是一一對應(yīng)的關(guān)系，塑性應(yīng)變的大小，不僅決定當時的應(yīng)力狀態(tài)，而且還決定于物體塑性變形的歷史。卸載時，在塑性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，按線性關(guān)系變化。由于塑性應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的這些特點，彈塑性有限元法比線彈性有限元法要復(fù)雜的多，求解起來也困難很多。主要表現(xiàn)在：①由于在塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力－應(yīng)變之間為非線性關(guān)系，所以在彈塑性有限元中，求解的是一個非線性問題，為了求解方便，要用適當?shù)姆椒▽栴}線性化。目前大多數(shù)采用逐次加載法，即將物體屈服后需要加的載荷，分成若干步加上（每步加的載荷要足夠小），在每個加載步內(nèi)，把問題看成是線性的。②由于在加載和卸載時，塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是不一樣的，因此，次計算時，一般應(yīng)在檢查塑性區(qū)內(nèi)各單元是處于加載狀態(tài)還是卸載狀態(tài)。如果是后者，則必須重新計算。這樣，勢必增加計算工作量，延長計算時間。③要根據(jù)塑性理論中介紹的塑性應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，求得聯(lián)系塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力｛σ｝和應(yīng)變｛ε｝的彈塑性矩陣。由于塑性理論中，關(guān)于塑性應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系和硬化假設(shè)有多種理論，采用不同的理論就會得到不同的彈塑性矩陣表達式，由此就會得到不同的有限元計算公式。主要研究的內(nèi)容是多框體結(jié)構(gòu)件加工變形控制涉及的內(nèi)容比較繁雜，首先以加工變形機理研究為出發(fā)點，在必要的基礎(chǔ)技術(shù)理論的指導(dǎo)下，圍繞目前常見及新機種考慮采用的材料——鋁合金預(yù)拉伸板材進行加工變形控制工業(yè)方法研究，取得的技術(shù)成果將應(yīng)用于目前在制、在研機種的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工，并可為其他國防武器裝備零件的制造和研制提供技術(shù)參考。研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面。 多框體結(jié)構(gòu)件有限元分析模型的建立由于商用CAD軟件中結(jié)構(gòu)件數(shù)據(jù)文件通常存在數(shù)據(jù)不完整現(xiàn)象，因此如果直接從中導(dǎo)入實體模型進入ABAQUS系統(tǒng)，則會引起有限元模型無法建立的問題。本文將針對多框體結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件的參數(shù)化建模和規(guī)則網(wǎng)格劃分。 多框體結(jié)構(gòu)件多因素綜合加工變形的分析技術(shù)由多種因素綜合作用引起的多框結(jié)構(gòu)件加工變形預(yù)測分析目前還處于空白狀態(tài)。本文將首先從銑削溫度、毛坯初始殘余應(yīng)力、裝夾應(yīng)力引起的單項加工變形預(yù)測分析入手，分別研究走到路徑、加工順序和加工余量的影響，摸索加工變形規(guī)律。在這基礎(chǔ)上，采用有限元分析綜合模型，對零件綜合加工變形進行預(yù)測分析。第二章 多框銑削變形有限元分析的基本原理與方法 整體結(jié)構(gòu)件的銑削加工過程是一個典型的非線性力學(xué)問題，它涉及材料科學(xué)、工程彈塑性力學(xué)、機械加工工藝學(xué)以及金屬切削理論等多個交叉學(xué)科，關(guān)聯(lián)介質(zhì)有毛坯殘余應(yīng)力分布狀態(tài)、毛坯材料特性、數(shù)控加工力學(xué)特性等，是被加工工件內(nèi)部殘余應(yīng)力、銑削殘余應(yīng)力等內(nèi)應(yīng)力相互影響的綜合結(jié)果。對于多框結(jié)構(gòu)零件，因?qū)嶋H變形在一定范圍內(nèi)的隨機性，要得到其加工變形規(guī)律，需要針對每一批具體變形零件進行試驗研究分析，時間長，成本高，嚴重制約著變形控制技術(shù)的研究進展。因此為便于工程應(yīng)用，引入了有限元技術(shù)，基于有限元數(shù)值計算結(jié)果，研究典型多框體零件銑削變形的規(guī)律，尋找控制銑削變形的有效方法，以便更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。航空多框體結(jié)構(gòu)件的銑削加工過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，具有明顯的非線性特征。非線性問題可以分為兩大類，第一類是屬于幾何非線性，第二類是屬于材料非線性。幾何非線性問題指的是大位移問題。航空多框體結(jié)構(gòu)件的設(shè)計精度有很高的要求，因此結(jié)構(gòu)件在銑削加工過程中不存在過大變形，因此研究中可以不考慮幾何非線性，將研究方向定位在小變形問題，即材料非線性問題。銑削加工過程中既有彈性變形、又有塑性變形，與彈性變形相比較，塑性力學(xué)問題具有如下主要特點：⑴ 應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是非線性的，其比例系數(shù)不僅與材料有關(guān)而且與塑性變形有關(guān)。⑵ 由于塑性變形的出現(xiàn)，應(yīng)力與應(yīng)變之間不在是一一對應(yīng)的關(guān)系，與加載歷史有關(guān)。 ⑶ 變形體中可分為彈性區(qū)與塑性區(qū)，加載與卸載都服從廣義胡克定律，但在塑性區(qū)，加載過程服從塑性規(guī)律而在卸載過程中服從彈性的胡克定律。即材料的彈性性質(zhì)不受塑性變形的影響。n 在試驗的基礎(chǔ)上，塑性力學(xué)一般采用以下假設(shè)：n 材料是連續(xù)的、均勻的；n 平均正應(yīng)力（凈水壓力）不影響屈服條件和加載條件；n 體積變化是彈性的；n 不考慮時間因素對材料性質(zhì)的影響。 材料的非線性彈性和彈塑性 對于強化材料，在一個方向（例如拉伸）加載進入狀態(tài)以后，在σ=σr1時卸載，并反方向（加壓）加載，直到進入新的塑性。這新的屈服應(yīng)力σs1通常在數(shù)值上既不等于材料的初始屈服應(yīng)力σs，也不等于卸載時的應(yīng)力σr1。如果︳σs1︳=σr1，則稱材料為各向同性強化材料；如果σr1σs1=2σs,則稱材料為運動強化材料。如果處于上述情況之間，即︳σs1︳σr1，同時σr12σs, 則稱材料為混合強化材料。各種材料強化塑性特征如圖所示。 屈服準則對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的材料的屈服條件，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多假設(shè)和模型，工程中應(yīng)用最廣泛的是Von Mises 屈服準則，這也是本文采用的屈服準則。該準則認為：材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的形狀改變能達到了單位拉伸屈服時的形狀改變能，材料開始屈服。Mises屈服條件表達式如下: （）式中是等效應(yīng)力，是單向拉伸時的屈服準則極限。用主應(yīng)力表示為： （） 假設(shè)在進入屈服后載荷按微小增量方式逐步加載，則應(yīng)變增量可分解為兩部分： （） 其中： 為彈性應(yīng)變增量，為塑性應(yīng)變增量。 與等效應(yīng)力對應(yīng)，定義等效應(yīng)變?yōu)椋ǎ┓Q對應(yīng)于塑性應(yīng)變增量的等效應(yīng)變?yōu)樗苄缘刃?yīng)變增量，記作(假設(shè)塑性變形狀態(tài)下不引起體積變化，)。大多金屬材料在達到屈服極限后，材料均表現(xiàn)出強化效應(yīng)，復(fù)雜應(yīng)力狀況下的應(yīng)變強化規(guī)律為：進入屈服后卸載，然后加載，其新的屈服應(yīng)力僅與卸載錢的等效塑性應(yīng)變總量有關(guān)。卸載前的等效塑性應(yīng)變總量為，因而新的屈服只有當?shù)刃?yīng)力滿足 （）時才發(fā)生。此處函數(shù)H反應(yīng)了新的屈服應(yīng)力對與等效塑性應(yīng)變總量的關(guān)系。將式（）寫成增量形式為： （）式中是強化階段曲線斜率。式（）和式（）反應(yīng)了屈服與強化之間的關(guān)系，他們就是的無奈搞笑強化材料的Mises準則。 塑性流動法則 材料屈服后，在加載下引起塑性流動。流動法則是材料在塑性狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變速度或者是應(yīng)變增量之間的關(guān)系理論。根據(jù)LevyMises理論和PrandtlReuss理論，塑性應(yīng)變增量與應(yīng)力狀態(tài)下的流動法則是： （）式中比例因子是dλ,它會隨著載荷大小以及材料內(nèi)點的位置而變化。在同一點和同一載荷下，每個方向東歐是常數(shù)。為數(shù)量函數(shù)對變量的偏導(dǎo)數(shù)。這個法則幾何上解釋為塑性應(yīng)變增量向量的方向與屈服曲面的法向一致，故又稱法向流動法則。最后通過簡化流動法則可化為： （） 彈塑性應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系工件材料超過屈服極限后，卸載是彈性的，它沿著和原點斜率大致相同的斜率作為卸載路徑，這表明卸載過程的不可逆性。因此，彈塑性應(yīng)力與應(yīng)變之間不是單值對應(yīng)關(guān)系，即應(yīng)變不僅依賴與當時的應(yīng)力狀態(tài)，而且還依賴與整過加載的歷史。因此彈塑性力學(xué)問題應(yīng)該是從某一已知的初始狀態(tài)開始，跟誰加載過程，用應(yīng)力增量與應(yīng)變增量的關(guān)系，逐步將每個時刻的各個增量累積起來，得到物體內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布。 我們假設(shè)材料進入塑性后，載荷按微小增量方式逐步加載，應(yīng)力和應(yīng)變也在原來水平上增加： （）式中為彈性矩陣。將式（）兩邊左乘，利用強化材料的Mises準則式（）以及塑性流動法則式（）可將式（）寫成 （）由與以及的關(guān)系，最后得到完整的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： （）式中通常稱為通訊社矩陣 。上式是進入塑性狀態(tài)的材料繼續(xù)加載時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，只要發(fā)生卸載應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系就轉(zhuǎn)換成線性關(guān)系。 彈塑性問題的有限元求解方法 在線性問題求解中，一般總是采用適當?shù)姆椒ㄊ蛊渚€性化，即常常把非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，在彈塑性問題中，為了達到線性化的目的，可采用逐步增加載荷的方法。只要增加的載荷適當?shù)男?，在塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力增加和應(yīng)變增加之間的關(guān)系就可近似地描述如下： （）式中 僅與加載前得應(yīng)力有關(guān)，與應(yīng)力及應(yīng)變增量無關(guān)，所以上式（）也是線性關(guān)系。對于每一步加載過程，由于應(yīng)力增量和應(yīng)變增量的關(guān)系是線性的，就不難用和線性彈性問題來處理完全類似的方法來計算。在多框體加工變形的研究中，要計算的變形量是指裝夾卸除時工件產(chǎn)生的殘余變形，因此需要進行卸載計算。而卸載問題計算也是彈塑性有限元計算不可缺少的關(guān)緊計算環(huán)境。由于卸載是按彈性規(guī)律卸載，載荷位移之間的關(guān)系為線性關(guān)系，因此在現(xiàn)在計算中只要將彈性矩陣代替成為線性彈性問題即可。 多框整體結(jié)構(gòu)件銑削變形的研究方法 多框整體結(jié)構(gòu)件銑削變形的力學(xué)描述零件在銑削加工過程中，由于銑削力和銑削熱的作用，銑刀刀齒的前刀面對切削、后刀面對已加工表面的摩擦和擠壓作用而使以加工表面發(fā)生一定程度的塑性變形，待刀具離開后，塑性變形部分限制了與其相鄰部分變形的彈性恢復(fù)，結(jié)果使零件表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。從塑性力學(xué)的觀點來看，銑削加工產(chǎn)生殘余應(yīng)力的過程既是價值過程又是卸載過程，加載過程是指銑削過程中由于材料局部發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生殘余應(yīng)力的過程，卸載過程是指切削層金屬被去除、刀具離開當前工位后，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布這一過程。殘余應(yīng)力的存在嚴重影響著已加工零件的集合形態(tài)，特別是對于航空航天產(chǎn)品中的大型結(jié)構(gòu)件，它是導(dǎo)致零件發(fā)生彎扭變形的主要因素。從產(chǎn)品特征角度看，航空航天產(chǎn)品大多是隔框件，因而都需要經(jīng)過銑削加工。 多框整體結(jié)構(gòu)件銑削變形的有限元模型在以往，有關(guān)切削加工的有限元模擬技術(shù)主要集中在二元切削的研究，其成果在一定程度上為控制銑削殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和優(yōu)化加工工藝提供了理論依據(jù)，但是由于無法預(yù)測零件的變形，二元切削模擬結(jié)果的實際應(yīng)用存在一定的局限性。因此，為了提高大型結(jié)構(gòu)件的加工精度，必須進行數(shù)控銑削加工變形產(chǎn)生機理的理論研究，通過有限元模擬技術(shù)比較準確的預(yù)測工件的加工變形，也就是說以銑削加工為模擬對象，利用三維有限元方法模擬銑削過程在不同條件下加工表層的力學(xué)狀態(tài)。在航空結(jié)構(gòu)件銑削加工的有限元分析中，結(jié)構(gòu)有限元分析模型的建立是比較重要的，因為有限元工作的對象不是真實的航空結(jié)構(gòu)，而是理想化的有限元模型。如果所建立的銑削加工模型不能合理的反映實際的航空結(jié)構(gòu)件的銑削情況，則無論采用的有限元理論有多先進，所運用的有限元程序有多正確，都不能很好的解決工程實際問題，所以從這一方面來說建立銑削加工的有限元分析模型的原則就是要使建立的有限元模型能在力學(xué)上合理的模擬實際加工過程?；谏鲜雒枋?，建立銑削加工的有限元分析模型遵守的原則即是根據(jù)工程分析的精度要求建立合適的模型模擬實際加工過程的有限元模型。有限元模型在將連續(xù)體離散化及應(yīng)用有限個參數(shù)表征無限個形態(tài)自由度過程中不可避免地引入近似。為使切削的有限元模型有足夠的精度，所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價。具體模擬時應(yīng)該要滿足以下條件：1） 平衡條件：零件的整體和任一元素在節(jié)點上都必須保持靜力平衡；2） 變形協(xié)調(diào)條件：交匯于一個節(jié)點上的各元素在外力的作用下，引起元素變形后必須保持靜力平衡；3） 滿足整個結(jié)構(gòu)的邊界條件及元素間的邊界條件以及材料間的本構(gòu)關(guān)系；4) 剛度等價原則：有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度要盡可能等價；5） 根據(jù)銑削加工特點仔細劃分網(wǎng)格，認真選取單元類型，使之較好反映銑削時的傳力特點；6） 在集合結(jié)構(gòu)上盡可能地逼近真實的結(jié)構(gòu)體；7） 仔細處理載荷模型，正確生成節(jié)點力。第三章 多框整體結(jié)構(gòu)件材料去處有限元模型的建立 材料模型介紹在ABAQUS軟件中建立將要加工的模型，加工的尺寸為32mm11