融合有限元仿真的航空鈑金制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

馬遙力，黨 利，馬震宇，單晨晨

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院 河南 鄭州 450046）

有限元法是一種求解微分方程的數(shù)值方法，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成為工程數(shù)值分析的有力工具。中國(guó)航空工業(yè)從20 世紀(jì)60 年代起，就將有限元法應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，發(fā)揮了巨大作用。而隨著中國(guó)航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展，新材料、新工藝大量應(yīng)用于新型航空器中，制造的難度和工作量急劇加大，利用有限元分析可以在設(shè)計(jì)初期解決成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的多種工藝缺陷。有限元法已逐漸成為相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必備技能，將有限元法與本科教學(xué)進(jìn)行充分融合勢(shì)在必行。馬竹樵指出在應(yīng)用型本科高校開(kāi)展有限元課程，對(duì)培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才，提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力至關(guān)重要；張洪偉探索了有限元法課程的教學(xué)模式改革和解決方案，加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)和工程能力的培養(yǎng)，重點(diǎn)突出工程應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果；向維探討了面向機(jī)械大類專業(yè)本科生的有限元課程教學(xué)改革，指出有限元法結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可鍛煉和提高學(xué)生獨(dú)立分析和解決工程問(wèn)題的能力；鄧小林將ABAQUS 有限元融入材料力學(xué)課堂中得到了很好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握水平，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；何山將有限元軟件應(yīng)用于電機(jī)課程教學(xué)，將磁場(chǎng)等知識(shí)點(diǎn)圖形化，便于學(xué)生的理解，提高了教學(xué)效果；王國(guó)明將有限元分析引入材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中抽象化的假設(shè)、結(jié)論以圖形的形式展示出來(lái)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的感性認(rèn)識(shí)。

飛機(jī)制造的主要工藝過(guò)程是鈑金成形。航空鈑金制造實(shí)驗(yàn)是“飛行器制造與裝配工藝學(xué)”“航空鈑金成形技術(shù)”等航空相關(guān)專業(yè)課程的重要組成部分，其涉及零部件成形方法和工藝設(shè)計(jì)，以及成形模具設(shè)計(jì)和受力分析等知識(shí)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師往往僅要求學(xué)生根據(jù)步驟進(jìn)行各類成形實(shí)驗(yàn)，記錄成形情況和儀器讀數(shù)，學(xué)生不能深入了解成形工藝對(duì)應(yīng)的物理原理，停留在知其然不知其所以然的層面；而受限于實(shí)驗(yàn)成本與時(shí)間，學(xué)生也難以通過(guò)有限的實(shí)驗(yàn)次數(shù)體會(huì)成形參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響。因此，在航空鈑金制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入有限元仿真是很有必要的，不僅可以鍛煉學(xué)生的三維建模能力，幫助學(xué)生掌握有限元分析方法，還可以讓學(xué)生深刻體會(huì)物理實(shí)際成形過(guò)程中鈑金件內(nèi)部應(yīng)力的變化情況，探究成形參數(shù)對(duì)零件成形過(guò)程的影響，初步培養(yǎng)制定成形工藝的思維以及查閱資料的能力。本文以鈑金拉形工藝實(shí)驗(yàn)為例介紹有限元仿真融入航空鈑金制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用。

1 鈑金拉形實(shí)驗(yàn)

鈑金拉形技術(shù)是生產(chǎn)和加工飛機(jī)蒙皮類零部件的主要成形方法，在航空鈑金零部件制造領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。其基本原理是由機(jī)床夾鉗向毛料，中間模具向上運(yùn)動(dòng)，使得毛料手拉變形和模具外表面貼合，從而成形零件。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用如圖1 所示的拉形實(shí)驗(yàn)裝置，使用特殊夾具將H型材夾緊，同時(shí)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿升降機(jī)控制凸模勻速上升，使其與板材干涉，使得H 型材產(chǎn)生塑性應(yīng)變并與模具逐步貼合，在成形過(guò)程中通過(guò)傳感器測(cè)量并記錄拉形力。

圖1 鈑金拉形實(shí)驗(yàn)裝置

拉形結(jié)束后檢查型材變形、起皺程度等。拉形前后的H型材如圖2、圖3 所示。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，拉形后H 型材發(fā)生了塑性變形與凸模貼合，但在部分位置出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象。

圖2 拉形前型材

圖3 拉形后型材

2 拉形實(shí)驗(yàn)有限元仿真

有限元仿真主要包括建立三維模型，確定材料模型、邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提取仿真結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析等幾個(gè)步驟。下面針對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生能力和知識(shí)方面的培養(yǎng)進(jìn)行分析和闡述。

2.1 幾何模型

幾何模型的建立往往采用專門(mén)的三維建模軟件如solidworks、UG、CATIA 等，之后導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS 計(jì)算。通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)，可培養(yǎng)學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，在一定程度上也培養(yǎng)了學(xué)生的工藝制定設(shè)計(jì)能力。本文計(jì)算所采用的三維模型如圖4 所示。

圖4 拉形實(shí)驗(yàn)三維模型

2.2 材料模型

材料模型通常包括材料的彈性變形特性和塑性變形特性，還有材料的熱傳導(dǎo)、熱輻射系數(shù)、泊松比、線膨脹系數(shù)等物理特性，這些知識(shí)點(diǎn)是學(xué)生在“材料力學(xué)”課程中學(xué)到的，在本實(shí)驗(yàn)中可得到很好的應(yīng)用。對(duì)于常用的材料，可以從有限元軟件的材料庫(kù)中直接選用。而對(duì)于材料庫(kù)沒(méi)有的可通過(guò)文獻(xiàn)查閱獲取，如果是新材料則需通過(guò)單向拉伸實(shí)驗(yàn)等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)取。所以，通過(guò)此環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生對(duì)原來(lái)學(xué)過(guò)的材料力學(xué)，理論力學(xué)等理論課程鞏固復(fù)習(xí)，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生用已學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本實(shí)驗(yàn)所用型材為鋁合金，凸模、夾具等為結(jié)構(gòu)鋼，直接調(diào)用即可。

2.3 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分十分關(guān)鍵，通常網(wǎng)格越多，計(jì)算精度越高，但是會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間增加，同時(shí)也會(huì)占用很大的儲(chǔ)存空間，所以網(wǎng)格的劃分滿足工程精度就好。為了兼顧計(jì)算時(shí)間和精度，在必要變形較大部位進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，別的部位網(wǎng)格可稍粗一些。如本實(shí)驗(yàn)中夾具、凸模、底板等結(jié)構(gòu)可采用較粗大的網(wǎng)格，而發(fā)生劇烈塑性變形的H 型材則應(yīng)使用細(xì)化網(wǎng)格。

2.4 邊界條件

邊界條件包括物體之間的接觸、摩擦、模具的移動(dòng)速度等。此時(shí)要求學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)裝置，分析各個(gè)組成結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系：哪些是固定連接的，可以按照一個(gè)整體分析；哪些會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要約束部分自由度；凸模和型材之間是怎樣的接觸關(guān)系等等。之后根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)定邊界條件，在本示例中，凸模和型材之間需按接觸考慮，夾具約束型材的垂向位移，設(shè)定凸模向上運(yùn)動(dòng)60mm，按準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算。

2.5 有限元仿真計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

通過(guò)有限元仿真計(jì)算，可以獲得拉形實(shí)驗(yàn)后及過(guò)程中某時(shí)刻的應(yīng)力與變形情況。對(duì)于拉形后的最終情況，最大等效應(yīng)應(yīng)力為局部集中，可達(dá)300MPa以上，分別位于夾持段邊緣、型材與凸模貼合處邊緣，其余大部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在200MPa以下；最大變形處即與凸模貼合處，變形量與凸模的位移相同為60mm，最小變形處為型材兩端的夾持處，基本不發(fā)生變形。因此從仿真計(jì)算結(jié)果不難看出，最大等效應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，學(xué)生根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，可知型材發(fā)生了塑性變形，這與實(shí)物實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果基本一致（如圖5 所示）。此時(shí)要提醒學(xué)生對(duì)比有限元模擬結(jié)果與拉形后的試驗(yàn)件形狀的異同，辨析造成區(qū)別的原因：如實(shí)際的夾具約束不能看作完全固定（即夾持力不能看作無(wú)窮大）、有限元網(wǎng)格不夠密、載荷時(shí)間步較大等；同時(shí)可以使學(xué)生理解，如果重點(diǎn)研究拉形彎曲段的情況，何種程度的簡(jiǎn)化忽略是可以接受的，即圣維南原理的應(yīng)用。

圖5 拉形實(shí)驗(yàn)機(jī)上型材的變形情況

對(duì)比拉形實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)有限元模擬對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)了“起皺”，改善拉形工藝可減小或避免其產(chǎn)生。結(jié)合理論課程中學(xué)習(xí)到的影響起皺因素，可改變有限元仿真計(jì)算時(shí)采用的工藝參數(shù)，如夾持的長(zhǎng)度、凸模運(yùn)動(dòng)的距離等，研究其對(duì)成形質(zhì)量的影響，再結(jié)合拉形實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比映照。如設(shè)定凸模向上運(yùn)動(dòng)35mm 時(shí)，基本不發(fā)生拉形起皺，如圖6 所示。

圖6 拉形后未起皺型材

通過(guò)該過(guò)程，學(xué)生可以清楚知道零件的成形過(guò)程，加深理解和記憶。并且在較低實(shí)驗(yàn)成本的情況下了解實(shí)際成形過(guò)程中出現(xiàn)缺陷的原因，研究工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響，達(dá)到理論和實(shí)踐充分結(jié)合的效果。

3 結(jié)論

本文以H型材的拉形實(shí)驗(yàn)為例，介紹了將有限元和航空鈑金制造實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法。學(xué)生通過(guò)對(duì)有限元仿真的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，鍛煉了使用三維軟件建模的能力，也初步掌握了使用有限元軟件解決實(shí)際工程問(wèn)題的基本步驟，了解影響有限元分析精度的主要因素。

通過(guò)有限元分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能讓學(xué)生對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的成形過(guò)程有更深刻的認(rèn)識(shí)，了解在這一過(guò)程中型材內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，對(duì)成形缺陷的原因有更好的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)如材料的力學(xué)特性等有良好的回顧印證作用。

通過(guò)改變拉形工藝參數(shù)，重復(fù)進(jìn)行有限元分析的過(guò)程，可以以較低的實(shí)驗(yàn)成本讓學(xué)生體會(huì)拉形參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響，探究消除或減少成形缺陷的方法，初步培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合工程軟件分析解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為從事相關(guān)工作和進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。