复杂变截面蒙皮拉伸有限元仿真与轨迹优化

复杂变截面蒙皮拉伸有限元仿真与轨迹
优化
摘要：针对复杂变截面蒙皮零件, 以某型飞机外蒙皮为例, 对零件的形面特
点及加工工艺难点进行分析。

采用技术方案理论分析及DynaForm有限元仿真模
拟成形过程技术, 对复杂变截面蒙皮采用蒙皮拉伸成形加工过程中遇到的难点及
蒙皮拉伸成形中蒙皮零件内部结构的应力、应变分布、整体变形、减薄以及充分
回弹后与工装的贴合情况进行了分析。

通过有限元模拟仿真技术对蒙皮拉伸成形
结果的预测进而优化相应的工装设计结构和蒙皮拉伸成形设备的加工参数，来减
少传统钣金加工零件成形过程中试错的过程，进而提高锯齿蒙皮零件的成形质量、节约初期工装制造费用、缩短零件加工周期。

关键词：蒙皮；变截面；有限元仿真；轨迹优化
1前言
飞机气动外形的重要零件主要为大型薄板铝合金蒙皮,其特点为零件尺寸大、双曲度、厚度薄、边缘呈锯齿状、内表面多化铣减薄等特点。

近年来, 随着大型
钣金零件的数字化加工需求, 对蒙皮零件的精准成形提出了更高的要求[1]。

目前
国内各大主机厂的零件车间加工大型复杂锯齿形蒙皮主要使用蒙皮拉伸成形，目
前还处于“经验型”加工方式，通过在加工零件过程中发现问题再更改工艺流程
等方式来满足最后的装配需求[2]。

而数字化蒙皮零件加工制造模式主要是快速、
高精度、高质量的要求。

因此,对于飞机大型复杂锯齿类蒙皮成形技术的创新研
究及应用, 逐渐引起了国内各科研院所与主机厂的重视。

近年来在蒙皮拉伸成形在数字化模拟仿真成形等领域，逐渐取得了一些成果。

传统的蒙皮拉伸成形技术主要依靠工人的经验和多次试拉来确定拉伸力、钳口运
动轨迹等技术参数。

这种方式需要工人操作熟练,经验丰富，但是多次试拉的过
程效率低,易造成蒙皮表面粗晶、端面断裂等缺陷[3-4]。

本文运用DynaForm有限元
仿真模拟软件,通过初步计算确定出合理的拉形轨迹和拉伸力等工艺参数, 提前预判零件的回弹、减薄率等因素,从而在工装设计的初期将不合理的地方进行修正，得到最优的工装结构。

2零件特点分析
此项复杂变截面整流罩蒙皮尺寸约为1780mmX300mmX310mm，一端为圆形另一端为方形结构，两侧R角仅为R10mm，该零件沿宽度方向曲率变化较大，包含较多的成形特征，如整体外凸、无内凹的特征。

图1 零件特征
3实施方案
3.1拉伸成形工艺流程
由于变截面蒙皮采用一次拉伸易产生断裂，为保证蒙皮的加工质量，拟采用两次拉伸成形的加工方式制造零件，具体加工流程如下：
3.2 工装设计的技术要求
工装材料采用光洁度高的SAM900树脂作为表层材料，减小摩擦力，保证材料流动性，避免裂纹及断裂。

同时在工装上安装K孔的专用钻模板，保证K孔的
钻孔精度不大于0.1mm。

工装高度进行约束，零件下部边缘线距离工装底面不大于100mm，保证零件在拉伸时有足够的过渡区，防止拉伸断裂。

3.3 DynaForm仿真研究
根据设计完成的工装数模，使用DynaForm软件对拉伸成形后的蒙皮零件进行初步仿真，判断工装设计是否合理及需要改进的地方，防止工装制造完成后无法使用。

3.4夹钳运动轨迹
针对蒙皮零件的成形工艺特点，分别设计相应的拉形轨迹。

工艺在零件的预拉和补拉阶段，轨迹为直线运动；预拉阶段，通过夹钳部分拉伸杆的伸缩，将毛料沿拉伸方向对称拉伸20mm；补拉阶段，板料已和拉形模具的侧面贴合，保持夹钳不动，工作台上顶，实现对板料的补拉，有效补拉量均为400mm，如下图2所示。

图2 夹钳运动轨迹仿真
拉伸成形后仿真分析
将设计好的工装数模导入DynaForm软件中，进行运算，仿真结果如图3所示。

由于变截面蒙皮两侧R角仅为R10mm，工装零件边缘线以外位置与零件尺寸设计一致，导致毛料在拉伸过程中受力较大，出现褶皱区域，零件成形质量差。

图3 工装更改前拉伸仿真结果
工装改进后仿真分析
根据第一次仿真分析结果在工装两侧蒙皮R角位置以外形面设计较大R角进行过渡，防止零件毛料在拉伸过程中起皱断裂，如图4所示。

通过将非工作形面R角加大后，起皱区域消失，零件成形质量提高。

图4 工装更改后拉伸仿真结果
4 技术方案验证
通过DynaForm软件的初步分析预测减薄率、表面起皱、应力集中区域等数据，为蒙皮零件成形提供了一定的理论依据。

在实际零件制造前针对复杂变截面
整流罩蒙皮进行的工艺准备，包括确定合适的毛料尺寸，为工艺仿真也提供了数据依据。

结合复杂变截面整流罩蒙皮的零件特点，在工装技术条件上进行约束，通过改进整流罩蒙皮成形工装在空间上的摆放位置，尽量调节两侧高度差，保证成形过程中拉伸量的一致性，达到优质表面的最终目的同时将变截面过渡范围及尺寸进行确定，最大限度上保证工装结构的最优性。

图5 成形后的零件
5 结束语
通过DynaForm软件的初步分析预测减薄率、表面起皱、应力集中区域等数据，为蒙皮零件成形提供了一定的理论依据。

在实际零件制造前针对复杂变截面整流罩蒙皮进行的工艺准备，包括确定合适的毛料尺寸，为工艺仿真也提供了数据依据。

结合复杂变截面整流罩蒙皮的零件特点，在工装技术条件上进行约束，通过改进整流罩蒙皮成形工装在空间上的摆放位置，尽量调节两侧高度差，保证成形过程中拉伸量的一致性，达到优质表面的最终目的同时将变截面过渡范围及尺寸进行确定，最大限度上保证工装结构的最优性。

通过试验，验证了仿真软件对蒙皮拉形工艺的有效性。

参考文献：
[1] 唐涛李志强门向南蒋建军. 航空大型复杂蒙皮的拉伸成形技术[J]. 锻压技术, 2019, (7).
[2] 陈根发方继钊王勇魏耀光曹大宁. 复杂鼓包蒙皮成形技术分析与优化 [J]. 锻压技术, 2020, (8).
[3] 孔庆猛. 蒙皮拉形有限元仿真技术研究[D]. 沈阳: 沈阳航空航天大学, 2016.
[4] 王晓欣, 曾一畔, 陈林, 等. 复杂曲率蒙皮零件拉形工艺分析及优化[J]. 锻压技术, 2018, 43 (9): 88 -92.。