【设计】有限元分析在薄壁铝合金产品设计制造工艺中的优化应用

68一、前言MSC.Patran是MSC公司开发的有限元前后处理系统，其开放工程分析框架结构功能强大，对CAD软件、FEM软件和材料信息系统开放，具有强有力的网格生成功能、逼真的结果可视化功能。同时，Patran提供编程语言——PCL语言，是用户进行专用软件二次开发的工具。其CAD造型功能不仅可以设计复杂的三维曲线曲面，同时可以进行实体造型设计。系统具有强大的实体建模、布尔运算、抽取中面和几何编辑功能。其几何模型可直接在Patran中建立，也可直接读入CAD软件输出模型。其CAD软件建模核心是Parasolid，软件接口包括CATIA、Pro/ENGINEER等；其数据交换格式支持IGES、STEP等。系统网格划分功能强大，不仅包括点线单元、平面单元和曲面单元，同时可进行实体单元划分。其支持多种本构关系的材料模型，包括复合材料的设计。同时MSC.Patran支持的分析程序包括MSC.Nastran、MSC.Dytran、MSC.Marc、MSC.Fatigue、Abaqus、ANSYS和Fluent等多种求解器。用户可以进行固体力学中的静力与稳定性分析、动力学分析、疲劳分析，还可进行流体与空气动力学分析，以及流固耦合分析等。同时，用户还可以从事产品制造工艺过程中的模拟分析，如板料塑性成型的模拟、数控高速切削的有限元模拟等。二、基于MSC.Nastron某船段壳体强度与稳定性分析1.经典壳体稳定性基本理论某舱段壳体如图1所示，设计要求该壳体能承受一定的轴压与弯矩载荷。下面分别对经典的壳体强度与稳定性理论、有限元模拟屈曲分析和试验载荷情况进行简略介绍。针对铝合金整体无加筋光圆筒壳（锥形壳），计算舱段壳体承载能力的方法如下。(1)安全系数及强度判据在设计载荷作用下，载荷安全系数f选取为f=1.5；强度安全系数fs=Tcr/Teq（式中：Tcr——结构实际承载能力；Teq——等效轴向载荷）；安全裕度M.S.=fs/f-1.0。当安全裕度M.S.0.0时，认为结构满足设计要求。(2)轴压承载计算理论由于本文计算的是舱段壳体的轴向承载能力，按照中长壳的计算理论，首先判断结构是否满足中长壳理论，即是否满足以下式子（式中R为半径、L为高度、h为壁厚）：（1）对锥形壳，如以按小端先失稳进行承载能力计算，则R为（a为半锥角）：（2）本文应用MSC.Patran软件作为前后处理器，分别以Msc.Nastran、Msc.Marc和Msc.Dytran为求解器，对某大型整体铝合金舱段壳体的强度与稳定性、薄壁铝合金支架的数控加工变形以及薄壁盒的板料冲压成型过程等方面进行了模拟，较好地指导了产品的设计与制造工艺的过程控制。有限元分析在薄壁铝合金产品设计制造工艺中的优化应用□中国三江航天集团国营红阳机械厂王华侨张颖!�!�������������!图1薄壁圆柱壳体轴压稳定性分析69CAD/CAM与制造业信息化·2009年第12期栏目主持：黎艳　投稿信箱：[e-mail]在结构满足中长壳的情况下，结构在轴压下的临界应力公式为：（3）（4）如果结构的临界应力小于材料的屈服极限时，则结构的临界轴压为：（5）如果结构的临界应力大于材料的屈服极限时，应对结构的临界应力进行修正，修正公式为：（6）从而得结构的临界轴向载荷：（7）在计算该圆筒壳时，结构满足中长壳理论。结构的外径为600mm，铝蒙皮厚h=2.5mm。所以，取铝蒙皮中径D=597.5mm，则R=298.75mm。其临界应力为：临界轴压：结构的安全系数：fs=993409/253458=3.919安全裕度M.S.=fs/f-1.0=3.919/1.5-1=1.6120计算结果fs=290000/253458-1=0.11402.有限元模拟分析与试验结果在Msc.Nastran环境中，针对该壳体分别采用实体单元、梁单元、壳单元模拟上下边框与口框、环向筋和蒙皮。其网格如图1所示，计算结果表明：壳体在承受30吨的轴向压力时，其最大压应力为227MPa，已超过采用经典壳体理论的临界应力211.69MPa。进一步分析其屈曲稳定性，其失稳特征值为1.11。该计算结果表明其最大承载可达到33.33吨。图1分别为其轴压静力分析和失稳分析结果。壳体失稳轴压的试验情况如表所示。轴压达到27.0吨时壳体失稳。该试验结果与Msc.Nastran中采用有限元法进行屈曲分析的结果差别较小，与经典的壳体稳定性理论相差较大（承载约为经典壳体理论的1/3）。进一步分析试验过程和产品的制造精度，该壳体试验值较小的主要原因有偏载、壳体壁厚的不均匀性等，其次其外圆的圆柱度和蒙皮的热处理状态对其稳定性数值有一定的影响。针对该薄壁壳体，通过理论计算、有限元模拟和轴压试验等综合分析对该产品的优化设计起到了较好的指导作用。二、基于MSC.Marc的薄壁件数控铣削加工变形模拟1.MSC.Marc基本介绍MSC.Marc是解决非线性结构、热力学、流体力学及其他序号传感器（单位：吨）总数12311.640.710.230.726.272.551.632.0937.623.022.142.46411.714.513.463.74515.435.944.664.83616.676.315.215.15718.97.125.985.8821.668.156.896.62925.499.538.247.721027.0910.088.878.14表轴压加载过程数据!�!��#$%&$������������!!�!����������!图2基于CATIA的数控加工轨迹与网格划分图3粗加工变形模拟示意图70物理场和耦合场问题的高级有限元软件，体现了非线性有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性结构分析，如线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性、材料非线性和包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。MSC.Marc让用户很方便地模拟变形体之间或自身在不同条件下的接触，包括摩擦的影响，如工具和模具的设置、弹簧卷的受冲击以及风挡雨刮器系统等。利用MSC.Marc提供的结构分析功能，可对加工后的包含残余应力的工件进行进一步的结构分析，模拟加工产品在后续运行过程中的性能，有助于改进产品加工工艺等方面。MSC.Marc/Link-C是向CATIA系统扩展的高级有限元分析系统，它能够在CATIA软件状态下实现将CATIA创建的Parts和Assemblies几何传入MENTAT的数据库，以启动MENTAT，定义各种高级分析模型，分析结果可在CATIA的环境下后处理。下面对某铝合金薄壁支架的高速数控铣削加工过程进行模拟，其数控加工编程的三维模型和数控加工刀具轨迹设计基于CATIA环境，将三维模型和数控加工刀具轨迹代码以适合于MSC.Marc相匹配的格式调入。2.铝合金薄壁支架数控高速切削变形模拟薄壁铝合金支架是常用的结构产品之一，也是机械加工中产品精度难以保证的典型产品之一。如图2所示，对某薄壁支架采用数控高速铣削加工，由于此类薄壁件加工由于应力释放不均匀，极容易引起变形，采用高速铣削加工可以有效减小其加工变形。图2是在CATIA环境中，进行该产品加工的数控刀具轨迹与毛坯网格划分示意图。Msc.Marc可以方便地对数控加工进行过程模拟，在边界条件确定后，读取CATIA数控加工程序代码，利用网格重划分技术、接触与网格处理等方法，采用结合显式分析、隐式分析（包括回弹分析）等核心算法，对加工过程和加工后的产品进行模拟，以确定加工的工艺参数合理性。图3和图4分别是对该产品进行粗精加工的多处模拟。三、基于MSC.Dytran的板料冲压成型有限元模拟1.MSC.Dytran基本介绍MSC公司的MSC.Dytran程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCESINTERNATIONAL公司开发的PICSES高级流体动力学和流体-结构耦合分析功能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法。在同类软件中，其高度非线性、流-固耦合方面有独特之处。MSC.Dytran的算法基本上可以概况为：MSC.Dytran采用基于Lagrange格式的有限单元方法（FEM）模拟结构的变形和应力，用基于纯Euler格式的有限体积方法（FVM）描述材料（包括气体和液体）的流动，对通过流体与固体界面传递相互作用的流体-结构耦合分析，采用基于混合的Lagrange格式和纯Euler格式的有限单元与有限体积技术，以ALE（任意拉格郎日与欧拉算法）完成全耦合的流体-结构相互作用模拟。MSC.Dytran本身在继承了LS-DYNA3D与PISCES优点的同时，也继承了其不足。首先，材料模型不丰富，对于岩土类处理较差，虽然提供了用户材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去。其次，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加。2.铝合金薄壁盒冲压模拟实例如图5所示，某薄壁铝合金盒，采用冲压拉伸成型，其产品结构与模具示意如图5所示。该铝合金材料特性，壁厚0.81mm、弹性模量71GPa、泊松比0.33、密度2700kg/m3、屈服极限135.3MPa、应力应变曲线576.79x(0.01658+εp)、摩擦系数0.162、板料尺寸150mmX150mm。以Msc.Dytran为求解器，采用Msc.Patran为前后处理器，对该薄壁盒形件进行产品的冲压拉伸塑性成型进行有限元模拟，模拟结果分别如图6～图10所示。图6为其产品冲压原理与网格划分模型；图7为冲压过程不同时刻的应变；图8为其不同时刻的厚度分布；图9为其不同时刻的成型极限图；图10为其某点的厚度与成型极限变化曲线。从成型的工艺过程来看，能够比较直观地对该产品的成型过程进行模拟。进一步采用显式法可以求解出其回弹分析的结果，模拟出产品的最终成型状态。通过模拟分析对该产品的结构细节设计与模具设计能起到很好的借鉴作用。!�!���������������!�#��������������!�$������������!图5薄壁盒产品与冲压结构示意图71CAD/CAM与制造业信息化·2009年第12期栏目主持：黎艳　投稿信箱：[e-mail]!�!��������������!�#������������!四、小结本文应用MSC.Patran软件作为前后处理器，分别以Msc.Nastran、Msc.Marc和Msc.Dytran为求解器，对大型整体铝合金舱段壳体的强度与稳定性、薄壁铝合金支架的数控加工变形以!�!���������������!�#��������������!�$������������!图6盒形件冲压模拟网格变形示意图!�!���������������!�#��������������!�$������������!图7盒形件冲压过程应变示意图图9薄壁盒冲压拉伸成型极限图!�!#�����������#图10厚度与成型极限变化图!�!��������������!�#������������!图8薄壁盒冲压拉伸厚度分布示意图及薄壁盒的板料冲压成型过程进行模拟。通过上述实例的理论计算、有限元模拟与工艺实践，进一步证明了Msc.Software系列软件能较好指导产品的设计与制造工艺的过程控制。本文索引号：125