多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法

本发明涉及机械加工，具体涉及一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法。

背景技术：

1、连杆是船用柴油机的关键零部件之一。连杆的主要加工技术路线为“模锻-热处理-机加工”，然而在连杆加工过程中其大头圆孔常发生明显的“缩孔”变形现象，该变形降低了连杆孔系的形位精度与几何精度，对柴油机的服役性能与使用寿命会造成不利影响。金属构件内部残余应力的松弛和再分布是金属构件关键位置变形的重要因素。残余应力场的演变与变形响应规律的分析应贯穿连杆加工工艺模拟的全过程，需要考虑不同工序间残余应力场与几何模型间变形的遗传和继承，实现初始残余应力与加工诱发残余应力场的耦合分析。

2、针对连杆加工过程中残余应力分布与变形响应问题，现有技术多采用有限元法建立连杆加工工艺仿真模型进行残余应力演变与变形响应分析。但是，现有的方法建立的限元模型之间的残余应力场与变形场相关独立，忽略了残余应力场与变形场在连杆多工序仿真分析之间的遗传与关联，无法实现连杆多工序残余应力场之间的耦合分析。

3、因此，针对不同工序间残余应力场与变形的遗传分析，如何克服金属构件残余应力场演变与变形响应规律仿真分析技术难点，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供了一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，以解决现有技术中针对不同工序间残余应力场与变形的遗传分析，从而克服金属构件残余应力场演变与变形响应规律仿真分析技术难点的问题。

2、本发明实施例提供了一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，包括：

3、建立连杆几何模型；

4、针对连杆几何模型进行单元网格划分；

5、对连杆几何模型进行热处理工艺模拟，得到连杆热处理仿真分析的残余应力场数据和变形场数据；

6、继承残余应力场数据和变形场数据，对连杆几何模型进行断开工艺模拟，得到连杆各个单元节点上的变形响应和残余应力；

7、继承变形响应和残余应力，对连杆几何模型进行机加工工艺模拟。

8、可选地，建立连杆几何模型，包括：

9、根据连杆的加工工艺与结构特征，删除连杆几何模型中对加工变形没有影响的几何特征。

10、可选地，针对连杆几何模型进行单元网格划分，包括：

11、根据连杆“热处理-断开-机加工”的加工工艺路线，将连杆的几何结构进行区域划分，分别为连杆盖区域、连杆体区域、机加工区域和连杆断开区域；

12、其中，连杆盖区域、连杆体区域和连杆断开区域采取四面体单元网格；机加工区域采取六面体单元网格。

13、可选地，对连杆几何模型进行热处理工艺模拟，得到连杆热处理仿真分析的残余应力场数据和变形场数据，包括：

14、根据连杆的热加工工艺参数，设置连杆的材料热物性参数、机械性能参数和热处理边界约束条件。

15、可选地，继承残余应力场数据和变形场数据，对连杆几何模型进行断开工艺模拟，得到连杆各个单元节点上的变形响应和残余应力，包括：

16、继承热处理工艺模拟得到的变形响应，基于多工序间变形场的遗传机制创建连杆变形之后的几何模型文件；

17、利用abaqus重启动分析技术直接继承热处理工艺模拟后得到的残余应力场数据；

18、根据断开工艺建立断开仿真分析的第一边界约束条件，得到连杆断开仿真分析结果。

19、可选地，继承变形响应和残余应力，对连杆几何模型进行机加工工艺模拟，包括：

20、继承断开工艺模拟得到的残余应力场与变形响应，基于残余应力场遗传机制分别建立连杆体与连杆盖残余应力场文件，基于变形场遗传机制分别建立连杆体与连杆盖几何模型文件；

21、建立连杆盖与连杆体的机加工模拟的第二边界约束条件与铣削载荷，基于生死单元法实现连杆盖与连杆体的材料去除模拟仿真。

22、可选地，还包括：

23、根据连杆铣削加工工艺，建立连杆盖与连杆体的机加工仿真分析的第二边界约束条件；

24、根据连杆铣削加工工艺设置铣削加工工艺参数；其中，铣削加工工艺参数包括铣削力、进给速度、铣削深度和加工余量；

25、获取连杆盖与连杆体的残余应力场分布规律和变形规律。

26、可选地，针对连杆几何模型进行单元网格划分，还包括：

27、设置连杆单元编号、单元节点编号和节点坐标信息；

28、建立工件坐标系，根据连杆盖或连杆体的几何尺寸在工件坐标系下建立对应的正六面体几何模型，从而获得连杆盖或连杆体的单元网格信息。

29、可选地，多工序间变形场的遗传机制包括：

30、读取连杆各个单元网格节点的坐标值；

31、读取上道工序模拟的结果数据文件中各个单元网格节点上的位移量；

32、继承单元网格信息后，根据位移量，对各个单元网格节点的坐标值进行坐标更新。

33、可选地，多工序残余应力场的遗传机制包括：

34、根据连杆各个单元网格节点的坐标值，读取上道工序模拟的结果数据文件中各个积分节点上的残余应力值；

35、根据单元网格信息和对应的残余应力值，创建模拟仿真后的连杆盖与连杆体残余应力场数据结果文件，用于下道工序的残余应力场数据继承。

36、本发明实施例的有益效果：

37、本发明实施例提供了一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，解决了连杆加工工艺过程仿真分析中残余应力场与变形不连续的问题，实现了残余应力与变形在连杆热处理、断开以及机加工的模拟仿真分析之间的遗传与流转。利用本实施提供的方法可对连杆加工制造全过程的残余应力场与变形进行分析，获取连杆全制造周期残余应力场的的演变规律以及关键几何特征的变形规律。此外，基于该方法的残余应力与变形流转机制实现了机加工过程中初始应力场与机械应力之间的耦合分析，为多工况条件下连杆机加工过程值残余应力重分布与变形研究奠定基础。本发明提出的方法适用于其他金属零部件加工工艺全过程残余应力演变规律与变形研究。

技术特征：

1.一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，建立连杆几何模型，包括：

3.根据权利要求1所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，针对所述连杆几何模型进行单元网格划分，包括：

4.根据权利要求1所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，对所述连杆几何模型进行热处理工艺模拟，得到连杆热处理仿真分析的残余应力场数据和变形场数据，包括：

5.根据权利要求1所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，继承所述残余应力场数据和所述变形场数据，对所述连杆几何模型进行断开工艺模拟，得到连杆各个单元节点上的变形响应和残余应力，包括：

6.根据权利要求1所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，继承所述变形响应和所述残余应力，对所述连杆几何模型进行机加工工艺模拟，包括：

7.根据权利要求6所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求1所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，针对所述连杆几何模型进行单元网格划分，还包括：

9.根据权利要求5所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，多工序间变形场的遗传机制包括：

10.根据权利要求6所述的多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，其特征在于，多工序残余应力场的遗传机制包括：

技术总结
本发明公开了一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，包括：建立连杆几何模型；针对连杆几何模型进行单元网格划分；对连杆几何模型进行热处理工艺模拟，得到连杆热处理仿真分析的残余应力场数据和变形场数据；继承残余应力场数据和变形场数据，对连杆几何模型进行断开工艺模拟，得到连杆各个单元节点上的变形响应和残余应力；继承变形响应和残余应力，对连杆几何模型进行机加工工艺模拟。本发明实施例提供了一种多工序耦合下连杆加工残余应力与变形有限元建模方法，解决了连杆加工工艺过程仿真分析中残余应力场与变形不连续的问题，实现了残余应力场与变形场在连杆热处理、断开以及机加工的模拟仿真分析之间的遗传与流转。

技术研发人员：周宏根,彭志诚,李国超,吴恒恒,史肖娜,孙丽,刘勇,陈建志,冯丰
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12