基于ANSYS_LS-DYNA的叶片加工变形分析研究

ｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ＣＯｌｔ ｂｅ ｕｓｅｄｆｏｒ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｐａｔｈ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｐａｉｒ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＳ－ＤＹＮＡ；Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｂｌａｄｅｓ
【ａ）
【ｂＪ
图２网格化叶片及铣刀
３．４定义ＰＡＲＴ 合理地定义ＰＡＲＴ集，是由怎样方便施加载荷、约束、边界
条件和接触等来决定的，本文在研究中将叶片和铣刀均设置成
ＰＡＲＴ。பைடு நூலகம்
３．５接触的定义 接触的定义是整个分析过程中最关键的一步，它不仅需要
定义接触的类型，更重要的是要设置接触的参数，这些参数是仿 真分析是否成功的关键，切屑的分离、加工中切削力的大小及加 工变形的大小都与这些参数有关，这砦参数主要是与摩擦有关的 参数，如静摩擦系数、动摩擦系数、接触刚度、定义接触的杀死和 激活时间等。
进入前
工处理器
约束和初速、．／加载载倚和、 ／输出应力应 度定义 ／’＼边界条件／ ＼变、位移等
定义单
工元类型
接触设置
设置时间等、 ，，观察变形和 求解控制参／ ＼应力状态
定义材 料属性
生胁ＲＴ）（定蔷翼舻）（豁器慧
（燮Ｈ篓）（．望Ｋ笠竺Ｈ兰鲎！） ＼入实体模型／ ＼、网格划分／ ＼、 文件／ ＼ 求解 ／
程设计学报，２００５，１２（６）：３４４－３４７
万方数据
１０２
陈远权等：基于ＡＮＳＹＳＦＬＳ—ＤＹＮＡ的叶片加工变形分析研究
第１０期
有一部分三维有限元模型，但对大变形中的材料本构关系、高速 切削过程中切屑断裂机制等涉及有限元模拟的关键技术研究仍 不深入，且这些研究都是为了研究加工中某一方面的影响因素而 特别构建的有限元模型，与实际加工中的模型有一定距离。本文 的研究主要从实际加工的角度出发，所用的有限元模型与实际加 工的零件的模型完全一致，所用的软件是通用有限元分析软件 ＡＮｓＹ鲫ｓ－ＤＹＮＡ，ＫＳ－ＤＹＮＡ的显式算法能快速求解瞬时大变形 动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问 题。通过建立镍基高温合金材料的某飞机发动机叶片叶片数控铣 削加工的有限元模型，研究了有限元建模方法及其相关关键技 术，分析了切削加工过程中应力、应变，为后续加工参数优化等研 究奠定了基础。如图１所示，是整个分析过程的流程图。
４洪嘉振．计算多体系统动力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９９ ５秦洪武，刘军．多连杆式前悬架的转向定位参数仿真计算研究［Ｊ］机械设
计与研究，２００２，１８（３）：１９－２１ ６宋传学，蔡章．基于ＡＤＡＭｓ，ＣＡＲ的双横臂独立悬架建模与仿真［Ｊ］者林
大学学报，２００４．３４（４）：５５和５５８ ７吴庆鸣，梅华锋等．基于ＡＤＡＭＳ的连杆机构多体动力学仿真研究［Ｊ］工
斗蚧！‘、！／．！／叠！／；！＾岍％＼．／叠＾７Ｍ，：冉蕾！‘！‘、！／．“、！／·忻、“ｑ，｝ｏ‘、ｅ巧、！／斗∽忉吧／斗５０吧＾＾｝ｏ蚺惭、！‘、％、！‘Ｎ，｝＾，＝ｑ，≯ｏ‘Ｎ’Ｔ、！“ 中图分类号：ＴＨｌ６文献标识码：Ａ
１引言
金属切削加工过程是一个非常复杂的过程，它不仅涉及切 削速度、进给速度和切削深度等切削用量，同时还与材料的性能、 刀具的几何角度有很大的关系。加工变形是加工中由于切削力作 用而使工件产生的弹迥性变形，使工件产生让刀现象。加工变形 将直接影响到零件的加工精度，对于高精度的零件，细小的变形 往往使得零件报废，特别是难加工材料组成的薄壁零件加工更是 如此，很多的航空结构件就属于难加工的精密零件，加工精度受 加工变形的影响很大。如果加工中能预知加工所产生的变形，在 编写数控加工程序时通过输入相应的刀偏量，便可以大大提高零 件的加工精度。本文从有限元的角度对零件加工中的变形进行了
３建模与分析过程
３．１进入前后处理器。设置分析类型 本研究中采用ＡＮＳＹＳｌ０．０作为前处理器进行有限元建模。
由于建模的目的是为下一步的ＩＳ—ＤＹＮＡ分析计算，所以进入 ＡＮｓＹＳｌ０．ｏ时必须选择ＫＳ—ＤＹＮＡ解密文件“ＡＮＳＹＳ ＩＳ— ＤＹＮＡ”。进入ＡＮＳＹＳｌ０．０后，首先设置分析类型“ＫＳ—ＤＹＮＡ ＥｘｐＢｃｉｔ，’，便于后面的建模。 ３．２定义单元类型和材料模型
ＣＨＥＮ Ｙｕａｎ－ｑｕａｎ，ＧＡＯ Ｊｉａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０００６，Ｃｈｉｎａ） 埔！／；＼！，＝堪／；世，；、！，＝ｑ，玉Ｂ；也＾ＮＰ玉｝言吧矗也‘＾｝７坩—！省ｅ，；、！疗占‘＼．‘｝冉分ｅ５ｖ，≯＾‘＼．矗吧—Ｎ，玉参苗迂／；、！，；吧／；、！／；、！／；、．—Ｎ，争５乍吧‘Ｎｙ；、５言也／；、！／；、！，；、！／；、．，；、！ 【摘要】针对飞机发动机叶片顶端修复过程中容易产生弹塑性变形而出现让刀，影响修复加工精度
第１０期
机械设计与制造
２０１０年ｌＯ月
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
１０ｌ
文章编号：１００１—３９９７（２０１０）１０－０１０１－－０３
基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－－ＤＹＮＡ的叶片加工变形分析研究宰
陈远权高健 （广东工业大学机电工程学院，广州５１０００６）
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ
（１）建立数组参数。 （２）定义约束，主要是将夹具的装夹位置定义为约束 （ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ），以节点的形式加载。 （３）定义初速度。 （４）利用第一步的数组参数定义并加载进给速度、铣刀位移 （走刀路线）等载荷曲线。此处必须注意，刀具的位移应以走刀轨 迹在工作坐标系中的实际坐标来定义，其实物理意义是走刀轨迹 的各个时刻的坐标点，分ｘ、Ｙ，ｚ三个方向分别定义并加载。 ３７设置输出类型和时间间隔、输出Ｋ文件并修改Ｋ文件 Ｋ文件是Ｉ．Ｓ－ＤＹＮＡ进行分析处理必不可少的文件。不论使 用哪种前处理器处理ＬＳ－－ＤＹＮＡ的有限元建模，最终都是转化为 Ｋ文件形式。加工分析中，为了对比不同切削用量下所产生的加 工变形和受力情况，可以直接对Ｋ文件进行修改以达到修改加 工参数的目的。 ３．８进入ＬＳ—ＤＹＮＡ主程序进行求解 （１）启动Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ ＡＮＳＹＳ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ对话框，在Ｌａｕｎｃｈ页的 Ｓｉｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｎｖｉｏｍｍｅｎｔ下拉框中选择ＬＳ—ＤＹＮＡ Ｓｌｏｖｅ，并在 Ａｎｆｌｙｓｉｓ Ｔｙｐｅ下面的单选按钮中选择Ｔｙｐｉｃａｌ ＬＳ—ＤＹＮＡ
关键词：ＬＳ—ＤＹＮＡ；加工变形；有限元分析；叶片
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｒｅｐａｉｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｔＯ，ｗｉｌｌ ｈａｐｐｅｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅｐａｉｒ ｏｃｃｕｒａｃｙ．１ｔ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ＬＳ－ＤＹＮＡ ｄｙｎａｍｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ｗｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ａｎｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｐｅ咖舰ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂｌａｄｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＬＳ－ＤＹＮＡ Ｋ－ｆｉｌｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｈ ｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｍ—
图１ ＬＳ－ＤＹＮＡ有限元分析流程图
２对仿真铣削系统进行简化和假设
由于切削加工过程复杂，切削区内包含着弹、塑性和断裂的 变形，切削过程中加工件的内应力不断变化，温度、摩擦都有影响。 诸因素使得机床夹具、刀具与加工件之间形成了—个复杂的动力 学系统，为了使得仿真准确反映切削过程，进行如下必要假设雹
（１）加工工件材料为双线性各向同性材料。 （２）铣削过程中铣削刃足够锋利，无论切削多薄均可完整， 将铣刀假设为刚体。 （３）由于加工件是镍合金件，属于难加工件，对刀具磨损的 影响较大，但在分析中假设刀具不存在磨损。 （４）刀具在铣削时同时具有多轴的旋转，铣削刃做三维复杂 运动，这样对仿真过程中刀具速度的加载比较复杂和困难，所以 假设铣刀只绕轴线旋转。
３．６加载、约束和边界条件设定 为了能正确地模拟结构的响应．就必须定义与指定时间间
隔相对应的载荷，与许多隐式分析不同的是，显示分析中的所有 载荷必须与时间有关。基于上述原因，在ＡＮＳＹＳ／ＩＳ－ＤＹＮＡ中用
万方数据
Ｎｏ．１０
Ｏｃｔ．２０１０
机械设计与制造
１０３
一对数组参数定义载荷，加工有限元分析的载荷包括加工中的进 给速度、切削速度和走刀的路径等，其中还包括初始速度的加载。 整个加载过程包括以下步骤：
自２０世纪７０年代Ｋｌａｍｅｃｋｉ采用有限元技术研究金属切 削加工过程以来，国内外的研究者已经开发了许多切削加工有限 元模型。但前期的有限元模型大多为二维直角切削模型，尽管也
★来稿口期：２００９—１２—１７－ｋ基金项目：国家自然科学项日（５０６７５０４０），广东省科技攻关项目（２００７Ａ０１０３０００１５）
在完成儿何模型建立后必须进行网格化的处理。网格化处理 是—件相当重要的工作，因为网格化的结果会直接影响分析的计 算时间以及分析结果的精确度。由于金属切削是属于高度非线性 的问题，在利用有限元分析此问题时，所耗费的计算机计算时间比 —般的问题都长，虽然较粗糙的｝明格化处理可以有效地降低分析 计算的时间，但是分析结果的精确度却相对地降低许多。为了在节 省计算机计算时间与增加分析结果的准确度之间找出平衡点，在 不影响分析结果以及不重要的几何位置，最好使用较粗糙的网格 密度，如切削刀具几何模型使用较粗糙的网格密度，而工件部分使 用较细密的网格密度。如图２所示，网格化的叶片及铣刀。
参考文献
１余强，郑慕侨．汽车悬架控制技术的发展［Ｊ］．汽车技术，１９９４（９）：１－－６ ２夏长高，李磊．多连杆式悬架运动特性分析与结构参数优化［Ｊ】施拉机与
农用运输车，２００７，３４（６）：３９－－４２ ３杨树凯，宋传学等．多连杆悬架与双横臂悬架运动学和弹性运动学特性
分析［Ｊ］．汽车技术，２００６（１２）：５～８
的问题，提出基于Ｉｓ—ＤＹＮＡ的显示动力学变形分析补偿方法。研究叶片和铣刀的的有限元模型的构建方
法，通过对铣刀走刀轨迹、进给量、转速等加载和边界条件确定，对叶片加工过程中的某一时段进行动力学 有限元仿真。并通过修改Ｉｐ—ＤＹＮＡ的Ｋ文件，将不同的切削用量进行加载并重新用ＫＳ－ＤＹＮＡ的求解
器进行计算，分析确定加工中针对不同切削用量而产生的让刀量，为叶片修复加工过程的变形补偿提供参 考。
２０７ＧＰａＩ习。
３．３定义几何模型和网格划分 为使分析中所用的模型与实际加工的模型一致，本文利用
Ｐｒｏ／Ｅ对加工零件和刀具进行实体造型，有限元分析中的最终的 几何模型由Ｐｒｏ］ｅ导入。通过设置ＡＮＳＹＳ与ＰｒｏｆＥ的接口，将 ＡＮＳＹＳ直接集成在Ｐｒｏ／Ｅ中，在Ｐｒｏ／Ｅ中可以通过下拉菜单 ＡＮＳＹＳＩＯ．０下的ＡＮＳＹＳＧｅｏｍ命令直接打开ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ， 同时也将Ｐｒｅ／Ｅ模型导入ＡＮＳＹＳ；也可在打开的ＩＳ—ＤＹＮＡ中通 过下拉菜单ｆｉｌｅ中的ｉｍｐｏｒｔ导入Ｐｒｏ／Ｅ文件。
分析研究，认为采用这种方法分析加工变形得到的结果与实际很 接近，是确实可行的。航空发动机的涡轮叶片是发动机关键部件 之一，在高温高速Ｔ作条件下，热膨胀伸长和湍流震动以及外封 严环上的燃厌沉积等原因均会引起叶片与封严环的接触磨损，从 而导致叶片叶尖磨短。为提高叶片的使用寿命，可以对磨损的叶 片进行激光熔覆加长，再通过数控加工修复。但是，由于叶片材料 是难加工材料，修复过程中容易因为让刀而使修复难以达到精度 要求。通过有限元分析求出加工变形并进行刀具补偿，可提高叶 片的修复精度。
目前岱一ＤＹＮＡ程序提供超过１４０种材料构成关系式１４１，包 含刚体、弹性体、弹翅性体等，使用者根据问题分析的需要选用 合适的单元形式和材料模型。本文在定义材料模型时，叶片材料 为镍基高温合金，可以直接使用ＩＳ—ＤＹＮＡ材料库中本身自带
的材料Ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙ，该材料是材料库中双线性各向同性的典型 材料，其密度为８４９０ｋｇ／ｍ３，弹性模量Ｅｘ为１８０ＧＰａ，屈服强度 ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ是０．９ＧＰａ，切线模量（Ｔａｎｇｅｎｅ ｓｔｒｅｓｓ）是０．４４５ＧＰａ，泊 松比０．３１；刀具材料选择碳化钨硬质合金，在前面的假设中，将 铣刀假设为不变形体，所以选择刚体材料（Ｒｉｇｉｄ ｍａｔｅｒｉａｌ），其材 料的主要参数是密度１７０００ｋｇ／ｍ３、泊松比０。１２，弹性模量Ｅｘ为