确定筋板形三维构件局部加载成形用不等厚坯料的方法

摘要

本发明公开了一种确定筋板形三维构件局部加载成形用不等厚坯料的方法。本发明根据成形过程中的各种加载状态确定了流入筋型腔材料体积的计算公式，实现简化界面的快速分析，缩短了确定坯料形状的时间；根据数值模拟结果修改坯料形状，确定满足充填要求的不等厚坯料，降低了成本；确定的不等厚坯料体积分配合理，消除成形过程中存在的充不满、折叠等缺陷，减少加工余量，降低了成形载荷，并且坯料形状简单易于制坯。

主权项

1.一种确定筋板形三维构件局部加载成形用不等厚坯料的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定构件各区域的界面；根据构件几何特征和加载变形特征确定各区域的界面；根据构件几何特征，确定与Y方向垂直的界面和X方向垂直的界面；根据加载变形特征，确定贯穿两个加载区的界面；步骤2，简化确定的界面；所确定的各界面上表面和下表面均对称地分布有多个筋条；各简化界面均位于构件厚度方向的对称中心线一侧，将各简化界面分别记为第i简化截面，其中i＝1～m；将第i简化界面内的各筋条分别记为第j筋，j＝1～n_i；所述的各简化界面中贯穿两个加载区的界面通过两个加载步成形；在一个加载区内的界面通过一个加载步成形；若成形第i简化截面的筋条采用局部加载成形，加载中模具分区位置为分区筋的中心处；确定第i简化截面的第2筋～第n_i-1筋中的一个筋条为分区筋；步骤3，确定各简化界面处所需不等厚坯料形状；通过对简化界面进行快速分析实现确定简化界面处所需不等厚坯料形状；在对简化界面做快速分析时，取一块不等厚坯料作为初始坯料，并根据初始坯料确定简化界面的坯料形状；对各简化界面做快速分析中，有三种局部加载状态和一种整体加载状态；所述三种局部加载状态分别是，由于模具部分加载形成的第一种局部加载状态、由不同腹板区模具的不同深度形成的第二种局部加载状态，以及由不等厚坯料的阶梯状表面存在的阶梯厚度差ΔH导致的第三种局部加载状态；在对各简化界面进行快速分析，以整体下模的各筋型腔处建立局部直角坐标系；所述局部直角坐标系的Y坐标位于所处筋型腔宽度的对称中心，并且各局部直角坐标系的坐标原点位于该Y坐标与X坐标的交点处；对各简化界面快速分析时：当所分析的简化界面贯穿两个加载区时，若成形第i简化截面的筋条采用局部加载成形，具体过程：a.根据简化界面局部加载成形中的加载状态确定分流层位置及筋型腔充填材料体积计算公式；根据简化界面处所需不等厚坯、模具的几何结构特征，局部加载成形过程中会出现三种局部加载状态和一种整体加载状态；第一种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；所述的第一种局部加载状态位于加载区内靠近分模位置的第一个完整筋型腔到分模位置之间；当这一区域内的坯料同加载上模和下模完全接触，此时该区域的加载状态为第一种局部加载状态；第一种局部加载状态下，局部加载宽度即为出现第一种局部加载状态区域内靠近分模位置的第一个完整筋型腔中心到分区筋型腔侧壁之间距离的二倍，所述分区筋型腔侧壁是该筋型腔出现第一种局部加载状态一侧的侧壁；局部加载宽度l在局部加载阶段中不变化，出现第一种局部加载状态区域内的坯料厚度H同上模行程之间是线性关系；采用计算公式(1)计算第一种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离x_k：$\left\{\begin{array}{cc}{x}_k=\frac{b}{2}& {\sigma }_x{|}_{x=b/2}\le q\\ x_k=\frac{1}{4}(l+b-\frac{H^2}{\mathrm{mb}})& {\sigma }_x{|}_{x=b/2}>q\end{array}\right.---\left(1\right)$其中：${\sigma }_x{|}_{x=b/2}=2K+\frac{\mathrm{mK}}{H}(l-b)$$q=2K(1+\frac{H}{2b})$式中：K为材料剪切屈服强度；b为筋宽；l为局部加载宽度；H为出现第一种局部加载状态区域坯料厚度；m为常剪切摩擦因子；σ_x为材料未流向筋型腔的腹板区内坯料X轴方向的应力，所述的腹板区内坯料同加载上模和下模同时接触；q为坯料内筋和腹板相交界面上的X轴方向的平均单位压力，所述的筋和腹板相交界面同筋型腔侧壁重合；式(1)中所采用的局部坐标系为简化界面中坯料所流入筋型腔的局部坐标系；成形过程中出现第一种局部加载状态区域坯料厚度H同加载上模行程s的关系由式(2)确定：H＝H₀-s    (2)式中：H₀为出现第一种局部加载状态区域初始坯料厚度；s为加载上模行程；流入筋型腔的材料体积V_in由式(3)确定：$V_{\mathrm{in}}={\int }_{s_1}^{s_2}{x}_k\left(s\right)\mathrm{ds}---\left(3\right)$流入分区筋型腔的材料体积V_out由式(4)确定：$V_{\mathrm{out}}={\int }_{s_1}^{s_2}[\frac{l}{2}-x_k\left(s\right)]\mathrm{ds}---\left(4\right)$第二种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；筋的两侧腹板厚度变化，在加载成形中，当该筋型腔与一侧相邻筋型腔之间的坯料同加载上模和下模完全接触，而所述该筋型腔与另一侧相邻筋型腔之间的坯料没有同加载上模和下模完全接触，此时所述该筋型腔与所述一侧相邻筋型腔之间的加载状态为第二种局部加载状态；第二种局部加载状态下，局部加载宽度即为所述该筋型腔侧壁到该侧相邻筋型腔中心之间距离的二倍，局部加载宽度l在局部加载阶段中不变化，出现第二种局部加载状态区域内的坯料厚度H同上模行程之间是线性关系；所述筋型腔侧壁是该筋型腔出现第二种局部加载状态一侧的侧壁；采用公式(1)计算第二种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离x_k；公式(1)中的H为出现第二种局部加载状态区域坯料厚度；成形过程中出现第二种局部加载状态区域坯料厚度H同加载上模行程s的关系由式(2)确定：公式(2)中的H₀为出现第二种局部加载状态区域初始坯料厚度；流入筋型腔的材料体积V_in由式(3)确定；第三种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；所述不等厚坯料的表面为阶梯状，该阶梯的厚度差为ΔH；所述的第三种局部加载状态位于下模具的各筋条成形型腔之间，或者位于构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间，或者位于下模具的各筋条成形型腔之间和构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间；并且该区域坯料同下模完全接触，此时该区域的加载状态为第三种局部加载状态；第三种局部加载状态下，局部加载宽度即为出现第三种局部加载状态区域内坯料同上模和下模都同时接触部分的宽度的二倍，该局部加载宽度l在局部加载阶段中随加载过程是动态变化的，出现第三种局部加载状态区域内的H和ΔH同上模行程之间是非线性相关的；第三种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离x_k由式(5)确定：$\left\{\begin{array}{cc}{x}_k=\frac{b}{2}& {\sigma }_x{|}_{x=b/2}\le q\\ x_k=\frac{1}{4}(l+b)-\frac{\mathrm{\Delta H}}{2m}(1+\frac{H+\mathrm{\Delta H}}{2b})& {\sigma }_x{|}_{x=b/2}>q\end{array}\right.---\left(5\right)$其中：${\sigma }_x{|}_{x=b/2}=\frac{\mathrm{mK}}{\mathrm{\Delta H}}(l-b)$$q=2K(1+\frac{H+\mathrm{\Delta H}}{2b})$式中：K为材料剪切屈服强度；b为筋宽；l为局部加载宽度；ΔH为变厚度区的厚度差；H为变厚度区内未同加载上模接触的坯料厚度；m为常剪切摩擦因子；σ_x为材料未流向筋型腔的腹板区内坯料X轴方向的应力，所述的腹板区内坯料同加载上模和下模同时接触；q为坯料内筋和腹板相交界面上的X轴方向的平均单位压力，所述的筋和腹板相交界面同筋型腔侧壁重合；式(5)中所采用的局部坐标系为简化界面中坯料所流入筋型腔的局部坐标系；成形过程中，局部加载宽度l的动态变化由式(6)确定：l＝l₀+b₁s+b₂s²(6)式中l₀为初始局部加载宽度；s为加载上模行程；b₁为一次项系数；b₂为二次项系数；b₁和b₂分别由式(7)和式(8)确定：ln(b₁)＝1.16941+0.03880A-0.13668B-0.33010C-0.47077D-0.04376R+0.17274lnA+0.73480lnB-0.39029lnC+0.64892lnR    (7)ln(b₂)＝-1.01970-0.03751A+0.74384B-0.04876C-0.22359D+1.19454R+0.94165lnA-3.74272lnB-0.45123lnC-1.50094lnR    (8)式中A为l₀/b的比值，B为L/l₀的比值，C为H₀/b的比值，D为ΔH₀/H₀的比值；L为筋型腔中心到厚度H坯料区域的约束端之间距离的二倍；R为变厚度区的过渡条件，定义为宽度增量Δl和厚度差ΔH的比，即为Δl/ΔH；成形过程中变厚度区的厚度差ΔH由式(9)确定：ΔH＝C₁-s-H    (9)式中：C₁为ΔH₀加H₀之和；ΔH₀为初始厚度差；H₀为变厚度区内未同加载上模接触的初始坯料厚度；令：K₁＝L-l₀；K₂＝-b₁C₁-b+l₀；K₃＝-2(b₂C₁-b₁)；$K_4=b_1-\frac{1}{m}-\frac{C_1}{2\mathrm{mb}};$$K_5=2b_2+\frac{1}{2\mathrm{mb}};$$K_6=-C_1{K}_4+\frac{1}{2}(l_0-b);$$K_7=\frac{b_1}{2}+K_4-C_1{K}_5;$$K_8=K_5+\frac{b_2}{2}$所述K₁～K₈均为(10)和式(11)中的简化项；流入筋型腔的材料体积V_in由式(10)或式(11)微分方程组确定：当σ_x|_x＝b/2≤q时有：$\left\{\begin{array}{c}(K_1-b_{1}s-b_2{s}^2)\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{ds}}-(b_1-2b_{2}s)H=K_2+K_{3}s+3b_2{s}^2\\ \frac{d{V}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{ds}}=\frac{b}{2}\end{array}\right.---\left(10\right)$当σ_x|_x＝b/2＞q时有：$\left\{\begin{array}{c}(K_1-b_{1}s-b_2{s}^2)\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{ds}}-(K_4+K_{5}s)H=K_6+K_{7}s+K_8{s}^2\\ \frac{d{V}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{ds}}=\frac{1}{4}(l_0+b+b_{1}s+b_2{s}^2)-\frac{C_1-s-H}{2m}(1+\frac{C_1-s}{2b})\end{array}\right.---\left(11\right)$根据初值条件可用数值方法求解式(10)、式(11)；整体加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；所述的整体加载状态位于下模具的各筋条成形型腔之间，或者位于构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间，或者位于下模具的各筋条成形型腔之间和构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间；并且该区域坯料同加载上模和下模完全接触，此时该区域的加载状态为整体加载状态；当构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间为整体加载状态，则材料分流层处到该筋条成形型腔中心的距离x_k为所述下模该端的端面内侧壁到该筋条成形型腔中心的距离；当第j个筋型腔和第j+1个筋型腔之间为整体加载状态时，则材料分流层处到第j个筋型腔中心的距离x_k由式(12)确定：$x_k=\frac{a_{j,j+1}}{2}+\frac{b_j-b_{j+1}}{4}+\frac{H^2}{4m}(\frac{1}{b_{j+1}}-\frac{1}{b_j})---\left(12\right)$式中：a_j，j+1为第j个筋型腔中心和第j+1个筋型腔中心之间的距离；b_j为第j个筋的筋宽；b_j+1为第j+1个筋的筋宽；H为出现整体加载状态区域坯料厚度；m为常剪切摩擦因子；成形过程中出现整体加载状态区域坯料厚度H同加载上模行程s的关系由式(13)确定：H＝H₀-s    (13)式中：H₀为出现整体加载状态区域初始坯料厚度；s为加载上模行程；流入筋型腔的材料体积V_in由式(14)确定：$V_{\mathrm{in}}={\int }_{s_1}^{s_2}{x}_k\left(s\right)\mathrm{ds}---\left(14\right)$b.简化界面局部加载成形过程成形筋高的解析计算；第一加载步中流入简化界面各筋型腔的材料体积计算：确定第一加载上模的最大行程，取计算步长Δs，所述Δs的取值范围为0.01～0.1；在步长Δs内，根据步骤a，确定第i简化界面第j筋型腔两侧的加载状态，j＝1～n_i；根据加载状态、筋型腔和坯料的几何参数、摩擦条件分别计算流入简化界面的第j个筋型腔的材料体积；第j个筋型腔两侧坯料未同上模具和下模具接触，流入筋型腔材料体积为零；至此完成一个步长Δs的计算；记录得到的每个筋型腔的材料体积，更新坯料几何参数和接触情况；根据步骤a，重复上述过程，继续确定各筋型腔两侧的加载状态并计算流入各筋型腔的材料体积；所述继续确定各筋型腔两侧的加载状态并计算流入各筋型腔的材料体积过程中，累加计算步长Δs，直至完成第一加载上模的最大行程，得到流入各筋型腔的材料体积；完成第一加载步的计算后，在部分区域成形筋条的坯料形状基础上，进行第二加载步中流入简化界面各筋型腔的材料体积计算：确定第二加载上模的最大行程，取计算步长Δs，所述Δs的取值范围为0.01～0.1；在步长Δs内，根据步骤a，确定第i简化界面第j筋型腔两侧的加载状态，j＝1～n_i；根据加载状态、筋型腔和坯料的几何参数、摩擦条件分别计算流入简化界面的第j个筋型腔的材料体积；第j个筋型腔两侧坯料未同上模具和下模具接触，流入筋型腔材料体积为零；至此完成一个步长Δs的计算；记录得到的每个筋型腔的材料体积，更新坯料几何参数和接触情况；根据步骤a，重复上述过程，继续确定各筋型腔两侧的加载状态并计算流入各筋型腔的材料体积；继续确定各筋型腔两侧的加载状态并计算流入各筋型腔的材料体积过程中，累加计算步长Δs，直至完成第二加载上模的最大行程，得到流入各筋型腔的材料体积；完成两个加载步的计算，第i简化界面中各筋的成形筋高h分别由式(15)确定：$h=\frac{V_{\mathrm{in}}^{\mathrm{tot}}}{b}---\left(15\right)$式中整个成形过程中流入筋型腔的材料体积；c.基于解析结果修改不等厚坯料，简化界面局部加载成形过程成形筋高的解析计算；根据解析结果修改不等厚坯料，并执行简化界面局部加载成形过程成形筋高的解析计算，当计算的成形筋高同设计要求筋高之间的高度差e_h的最大值max(e_h)小于10-15％时，停止修改坯料；获得简化界面所需的不等厚坯料形状；当所分析简化界面在一个加载区内的界面通过一个加载步成形时，若成形第i简化截面的筋条采用整体加载成形，具体过程是：a.根据简化界面加载成形中的加载状态确定分流层位置及筋型腔充填材料体积计算公式；根据所分析简化界面处所需不等厚坯、模具的几何结构特征，加载成形过程中会出现第二种局部加载状态、第三种局部加载状态、整体加载状态三种加载状态；其中，第二种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；筋的两侧腹板厚度变化，在加载成形中，当该筋型腔与一侧相邻筋型腔之间的坯料同加载上模和下模完全接触，而所述该筋型腔与另一侧相邻筋型腔之间的坯料没有同加载上模和下模完全接触，此时所述该筋型腔与所述一侧相邻筋型腔之间的加载状态为第二种局部加载状态；第二种局部加载状态下，局部加载宽度即为所述该筋型腔侧壁到该侧相邻筋型腔中心之间距离的二倍，局部加载宽度l在局部加载阶段中不变化，出现第二种局部加载状态区域内的坯料厚度H同上模行程之间是线性关系；所述筋型腔侧壁是该筋型腔出现第二种局部加载状态一侧的侧壁；采用公式(1)计算第二种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离x_k；公式(1)中的H为出现第二种局部加载状态区域坯料厚度；成形过程中出现第二种局部加载状态区域坯料厚度H同加载上模行程s的关系由式(2)确定：公式(2)中的H₀为出现第二种局部加载状态区域初始坯料厚度；流入筋型腔的材料体积V_in由式(3)确定；第三种局部加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；所述不等厚坯料的表面为阶梯状，该阶梯的厚度差为ΔH；所述的第三种局部加载状态位于下模具的各筋条成形型腔之间，或者位于构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间，或者位于下模具的各筋条成形型腔之间和构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间；并且该区域坯料同下模完全接触，此时该区域的加载状态为第三种局部加载状态；第三种局部加载状态下，局部加载宽度即为出现第三种局部加载状态区域内坯料同上模和下模都同时接触部分的宽度的二倍，该局部加载宽度l在局部加载阶段中随加载过程是动态变化的，出现第三种局部加载状态区域内的H和ΔH同上模行程之间是非线性相关的；第三种局部加载状态下的材料分流层处到筋型腔中心的距离x_k由式(5)确定；成形过程中，局部加载宽度l的动态变化由公式(6)确定；成形过程中变厚度区的厚度差ΔH由公式(9)确定：流入筋型腔的材料体积V_in由公式(10)或公式(11)微分方程组确定：整体加载状态；坯料下表面与下模具配合；下模具表面有筋条的成形型腔；所述的整体加载状态位于下模具的各筋条成形型腔之间，或者位于构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间，或者位于下模具的各筋条成形型腔之间和构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间；并且该区域坯料同加载上模和下模完全接触，此时该区域的加载状态为整体加载状态；当构件一端临近端头处的筋条成形型腔到所述下模该端的端面内侧壁之间为整体加载状态，则材料分流层处到该筋条成形型腔中心的距离x_k为所述下模该端的端面内侧壁到该筋条成形型腔中心的距离；当第j个筋型腔和第j+1个筋型腔之间为整体加载状态时，则材料分流层处到第j个筋型腔中心的距离x_k由式(12)确定：成形过程中出现整体加载状态区域坯料厚度H同加载上模行程s的关系由公式(13)确定：流入筋型腔的材料体积V_in由公式(14)确定：b.简化界面局部加载成形过程成形筋高的解析计算；确定加载上模的最大行程，取计算步长Δs，所述Δs的取值范围为0.01～0.1；在步长Δs内，根据步骤a，确定第i简化界面第j筋型腔两侧的加载状态，j＝1～n_i；根据加载状态、筋型腔和坯料的几何参数、摩擦条件分别计算流入简化界面的第j个筋型腔的材料体积；第j个筋型腔两侧坯料未同上模具和下模具接触，流入筋型腔材料体积为零；至此完成一个步长Δs的计算；记录得到的每个筋型腔的材料体积，更新坯料几何参数和接触情况；根据步骤a，重复上述过程，继续确定各筋型腔两侧的加载状态并计算流入各筋型腔的材料体积；所述继续确定各筋型腔两侧的加载状态并计算流入各筋型腔的材料体积过程中，累加计算步长Δs，直至完成第一加载上模的最大行程，得到流入各筋型腔的材料体积；完成整个加载步的计算，第i简化界面中各筋的成形筋高h分别由公式(15)确定：c.基于解析结果修改不等厚坯料，简化界面局部加载成形过程成形筋高的解析计算；根据解析结果修改不等厚坯料，并执行简化界面局部加载成形过程成形筋高的解析计算，当计算的成形筋高同设计要求筋高之间的高度差e_h的最大值max(e_h)小于10-15％时，停止修改坯料；获得简化界面所需的不等厚坯料形状；步骤4，确定基本不等厚坯料形状；a.根据步骤3获得的所有简化界面上的不等厚坯料形状，确定三维不等厚坯料，同时根据如下变厚度区设置原则：变厚度区过渡条件R＞1；坯料变厚度区应当避免设置在分模位置附近和筋型腔附近；若在筋型腔或模具分区附近设置变厚度区，需采用较大的过渡条件，即R＞2；得到构件厚度方向中心线一侧的不等厚坯料；b.构件上表面和下表面对称地分布有筋条，将a得到的不等厚坯料镜像，使坯料上表面和下表面对称地分布变厚度区，获得整体构件局部加载成形用三维基本不等厚坯料；步骤5，根据构件形状确定最终不等厚坯料；通过计算机数值模拟分析确定不等厚坯料；数值模拟分析步骤4中的基本不等厚坯料的成形过程；第一加载步对第一加载上模加载，第二加载步对第二加载上模加载；两个加载步后若构件形状未满足充填要求，则根据三维数值模拟结果修改坯料形状，直至得到满足充填要求的不等厚坯料。