基于Abaqus的飛機(jī)蒙皮拉伸機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

摘 要：本文基于彈塑性的有限元理論建立了蒙皮拉伸機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用通用有限元軟件Abaqus對蒙皮拉伸機(jī)結(jié)構(gòu)受力過程進(jìn)行彈塑性仿真分析。研究了模型中主要受力部件的受力情況，模擬獲取并分析了等效應(yīng)力、等效變形應(yīng)變云圖等的受力分布情況。該方法比一般的試驗(yàn)法更省時、省力，在研究蒙皮拉伸工藝和開發(fā)新產(chǎn)品設(shè)備方面具有工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)蒙皮拉伸機(jī)；有限元分析；應(yīng)力應(yīng)變；拉伸成形

中圖分類號：TG 31" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

飛機(jī)氣動外形蒙皮零件（飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、整流罩和尾椎等部位）的主要成形方式之一是通過蒙皮拉伸成形機(jī)完成的，產(chǎn)品成形質(zhì)量取決于拉形工藝的不斷優(yōu)化，蒙皮拉形裝備的先進(jìn)程度也會對拉形的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大影響[1]。目前，先進(jìn)的蒙皮拉形裝備主要被美、法等國壟斷，為了不斷提升飛機(jī)蒙皮類零件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，國內(nèi)各大航空、航天主機(jī)廠和零部件配套商都通過采購國外先進(jìn)的蒙皮拉形裝備來解決生產(chǎn)產(chǎn)能問題[2-3]。在這種形勢下，通用技術(shù)天鍛公司科研人員經(jīng)過不懈努力，使自主研發(fā)的600（2×300）t

數(shù)控蒙皮拉伸機(jī)于2015年2月正式下線，該設(shè)備技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家的認(rèn)可，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平?，F(xiàn)該設(shè)備已成功投入使用。作為國內(nèi)首臺大型綜合蒙皮拉伸機(jī)，該設(shè)備標(biāo)志著我國從此徹底打破了國外對飛機(jī)蒙皮拉伸機(jī)的壟斷地位。

本文通過有限元仿真分析軟件Abaqus對600（2×300） t綜合蒙皮拉伸機(jī)的機(jī)身框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析，通過數(shù)值模擬對機(jī)身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)大噸位蒙皮拉伸裝備的設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 蒙皮拉伸機(jī)的結(jié)構(gòu)綜述

蒙皮拉伸機(jī)主要由機(jī)架、主工作臺、輔助工作臺、鉗口、鉗口托板、上工作臺和安全踏臺等組成。整機(jī)的主體部分采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，采用“有限元力學(xué)分析軟件”對各個結(jié)構(gòu)件和整機(jī)框架進(jìn)行受力模擬分析，從而保證蒙皮拉伸機(jī)主體結(jié)構(gòu)的可靠性[4-6]。機(jī)架和鉗口托板為主要受力部件。

托板機(jī)構(gòu)主要用于安裝鉗口，可完成鉗口的縱向移動、鉗口的俯仰、鉗口拉伸以及鉗口垂直面上的旋轉(zhuǎn)等功能。鉗口托板機(jī)構(gòu)由主梁、拉伸缸、俯仰缸、旋轉(zhuǎn)缸、推動缸和襯套等結(jié)構(gòu)組成。鉗口托板能適應(yīng)于三坐標(biāo)運(yùn)動[7-8]，鉗口與安裝在主梁尾部的拉伸缸連接起來，這3個運(yùn)動是鉗口沿主梁外側(cè)和內(nèi)側(cè)的直線運(yùn)動（6 096 mm）、鉗口向上轉(zhuǎn)動以跟蹤模具切線的沿水平軸的俯仰（0°～45°）以及鉗口在垂直面±30°的旋轉(zhuǎn)。此外，托板必須具有鎖緊性能，該鎖緊必須能承受在成形窄零件、鉗口鎖緊情況下產(chǎn)生的力矩。托板由行程/拉伸缸驅(qū)動并在主梁上運(yùn)動，包括4個行程/拉伸缸，每個缸均安裝在各主梁的端頭。拉伸缸內(nèi)徑為355.6 mm，活塞桿直徑為177.8 mm。缸中心線與鉗口耳軸在一條線上，使作用到托板上的彎矩最小。每個油缸有獨(dú)立的伺服控制。蒙皮拉伸機(jī)整體的機(jī)身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 蒙皮拉形機(jī)機(jī)身模型建立

2.1 有限元建模

有限元分析模型主要由機(jī)架和托架2個部分組成。本文選取機(jī)身整體的1/2建模（如圖2所示），可簡化建模，減少運(yùn)算時間，降低對硬件的要求，并提高計(jì)算效率。

所選材料為鋼板Q345-B，其物性參數(shù)，包括材料的彈性模量、泊松比見表1。

2.2 邊界條件和載荷的確定

在有限元分析中，邊界條件設(shè)置的準(zhǔn)確性與可靠性將直接影響仿真分析結(jié)果。在第一個分析步中，需要對鉗口托板設(shè)置預(yù)緊力，此時只對模型中的各個受力螺釘施加相應(yīng)大小的預(yù)緊力，同時將對架體底部固定。在第二個分析步中，除沿用第一個分析步中的邊界條件外，還要在托板法蘭和拉伸缸接觸法蘭接觸面上施加額定載荷的均布力（如圖3所示）。

2.3 有限元網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是有限元分析的基本單元，網(wǎng)格設(shè)置的大小和形狀對分析結(jié)果的正確性與準(zhǔn)確性有較大影響，因此，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，原則上網(wǎng)格尺寸越小，計(jì)算分析精度越高，但是花費(fèi)的計(jì)算時間也越長，對計(jì)算機(jī)硬件的要求也會相應(yīng)提升。如果網(wǎng)格尺寸過大，就會降低計(jì)算精度，甚至導(dǎo)致計(jì)算過程不收斂，無法產(chǎn)生有效結(jié)果。在熱沖壓成形件的劃分中，由于板料的變形比較大，因此存在較大網(wǎng)格畸變，使板料間的單連接區(qū)域變成多連接區(qū)域，重疊并造成附體積，會縮短時間步長并降低求解精度，需要對有限元模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。模型局部特征的變形比較大，需要在計(jì)算迭代的過程中不斷優(yōu)化、調(diào)整網(wǎng)格的尺寸，使網(wǎng)格與物理進(jìn)行吻合，從而提高精度。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)在數(shù)值分析中至關(guān)重要。采用有限元網(wǎng)格離散化過程中，如果網(wǎng)格劃分比較粗，就會造成較大誤差。如果網(wǎng)格比較細(xì)密，網(wǎng)格單元的總數(shù)就會增多，會延長分析、計(jì)算時間。如果采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，就能在分析過程中利用網(wǎng)格的自適應(yīng)性，平衡分析計(jì)算時間和精度。

本模型采用的單元類型為實(shí)體三角形六節(jié)點(diǎn)單元。根據(jù)模型的復(fù)雜程度，應(yīng)用智能網(wǎng)格劃分，將蒙皮拉伸機(jī)關(guān)鍵部位的網(wǎng)格設(shè)置得更密，將模型非關(guān)鍵部位的網(wǎng)格設(shè)置得更大（如圖4所示），以有效降低模型計(jì)算時間，同時也不會影響分析精度。對模型的有限元網(wǎng)格進(jìn)行分析檢查，保證不會出現(xiàn)網(wǎng)格缺陷，導(dǎo)致無法進(jìn)行計(jì)算。

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 蒙皮拉伸機(jī)機(jī)身強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果

在滿噸載荷下，設(shè)備鉗口托板的等效應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5可以看出，蒙皮拉伸機(jī)的機(jī)架筋板受力比較均勻，等效應(yīng)力值為57 MPa～77 MPa。制造機(jī)架筋板的Q345B材料屈服強(qiáng)度高達(dá)345 MPa，其安全系數(shù)高達(dá)4.4倍，因此機(jī)架筋板的強(qiáng)度能滿足靜載設(shè)計(jì)要求。

鉗口托板與機(jī)架的結(jié)合處屬于高應(yīng)力區(qū)域范圍，在300t滿噸位的負(fù)荷下，鉗口托板所用的連接螺釘受較集中的拉應(yīng)力，最大等效應(yīng)力為115 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用屈服應(yīng)力極限1 080 MPa，安全系數(shù)高達(dá)9倍，因此所用螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)是安全的，符合設(shè)計(jì)要求。

由模擬分析可知，滑軌受翻轉(zhuǎn)力矩，因此在高載荷狀態(tài)下，滑軌與鉗口托板連接的導(dǎo)板區(qū)域部分存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力為120MPa，小于材料的彈性屈服極限350MPa，導(dǎo)板強(qiáng)度無問題。鉗口托板的最大等效應(yīng)力237.8MPa，小于材料的許用應(yīng)力600MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

鉗口機(jī)架在承受工作載荷過程中會產(chǎn)生一定的彈性變形，因此需要對其剛度進(jìn)行分析。鉗口托板和機(jī)架在承受滿載300t條件下的變形云圖如圖6所示。由圖6可知，托板軸向最大撓度為11.15mm，即0.695mm/m。鉗口機(jī)架在受力狀態(tài)下產(chǎn)生的變形主要集中于Z軸方向，會對鉗口托板導(dǎo)軌在受力狀態(tài)下的運(yùn)動產(chǎn)生一定影響。但是鉗口托板的導(dǎo)軌調(diào)節(jié)裝置可以增加間隙，進(jìn)而對此微小變形量進(jìn)行有效補(bǔ)償，因此機(jī)架剛度滿足導(dǎo)軌運(yùn)動要求，整體結(jié)構(gòu)可靠。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)架的設(shè)計(jì)剛度需要控制在1/7000，以避免設(shè)備精度超差。經(jīng)分析，在滿噸位載荷狀態(tài)下，機(jī)架最大點(diǎn)與最小點(diǎn)的變形量約為0.5mm，設(shè)備機(jī)架兩端間距約為4000mm，從而得出剛度為0.5/4000＝1/8000，下設(shè)備機(jī)架的剛度滿足要求，整體結(jié)構(gòu)可靠。

4 結(jié)論

對于受翻轉(zhuǎn)力矩的滑軌，由于在受滿載的情況下內(nèi)部導(dǎo)軌的螺釘受力遠(yuǎn)大于外部滑軌的受力，因此應(yīng)相應(yīng)增加內(nèi)部的螺釘數(shù)量，以抵抗翻轉(zhuǎn)變形受力。本文利用有限元分析法進(jìn)行蒙皮拉伸機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得了最佳結(jié)構(gòu)尺寸。并對600 t蒙皮拉伸機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，其分析、設(shè)計(jì)思路和獲取的數(shù)據(jù)對今后類似大型蒙皮拉伸設(shè)備的研制具有指導(dǎo)意義。

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通信作者：尹?。?992-），男，河南長葛市人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇蘸教焯胤N裝備和工藝。

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