铝合金航空整体结构件加工变形机理与预测研究

【类型】学位论文

【作者】黄晓明 

【关键词】 T7451铝合金 航空整体结构件 加工变形 应力 温度 刚度特性 预测系统,7050

【摘要】随着航空飞行器综合性能的不断提高,对航空器结构件的高精度制造提出了更严格的要求。目前大型航空整体薄壁结构件加工变形的问题日益突出,航空结构件加工后往往发生弯曲、扭转或弯扭组合的整体变形,难以达到设计要求,严重影响了航空航天产品的生产效率与成本。航空整体结构件加工变形产生的影响因素包括结构件的材料属性、工件的结构特征、毛坯初始残余应力、切削应力、温度变化等。由于国内外有关整体结构件加工变形的研究往往偏重于某单一因素,对航空整体结构件变形产生机理缺乏深入了解,同时缺乏有效的变形预测手段,这都极大地限制了航空整体结构件在实际生产中的应用与发展。因此,进行航空整体结构件加工变形机理及变形预测的理论和应用研究具有重大工程意义和应用价值。本文在国家自然基金项目“基于局部应力调整航空整体结构件变形校正理论和方法研究”(51275277)和某军工企业项目"CATIA环境下铝合金大型结构件变形预测与补偿系统开发”的资助下,以7050-T7451铝合金为研究材料,针对铝合金整体结构件加工变形机理开展研究,旨在明确回答“工件为什么变形”以及“影响变形的主次因素是什么”这两个问题,以工程应用为最终目标,建立变形快速预测系统平台。本文采用理论分析、有限元建模和试验研究相结合的方法,分析加工过程刚度演变、应力重分布和变形的关系,通过对单因素影响作用到考虑多因素综合影响作用的整体结构件变形预测,建立了综合考虑加工过程工件刚度特征、毛坯初始残余应力、加工应力以及温度变化产生的热膨胀等多因素耦合产生的航空整体结构件变形预测模型,有效提供铝合金航空整体结构件的加工变形预测、控制和工艺参数优化依据。首先,准确测定了不同温度下7050-T7451铝合金热膨胀系数,构建了不同温度区域,铝合金预拉伸板材不同纤维方向精确热膨胀系数数学模型,并借助Windows自带的Access建立热膨胀系数查询数据库。从铝合金材料的组织成分和金相结构变化角度,揭示了铝合金热膨胀系数变化的材料学内在本质。分别采用平均热膨胀系数和准确热膨胀系数对工件变形进行预测分析,采用准确热膨胀系数模型后,热变形最大相对计算误差由17.4%降为9.5%。以7050-T7451铝合金预拉伸板材加工长梁隔框工件为例,通过建立加工过程有限元模型,分析航空整体结构件数控加工过程中残余应力的演变规律,揭示加工过程整体结构比例件的变形特点以及与之相对应的残余应力状态关系；进行基于等效弯曲应变能的刚度计算方法研究,通过不同加工阶段工件等效刚度计算,分析航空整体结构件数控加工过程中刚度变化规律；最后以隔框工件为例,分析不同隔框加工次序对工件刚度演变和应力重分布的影响,建立刚度变化-残余应力演变-工件变形映射关系模型。结合电解剥层法和X射线衍射法,精确测定了7050-T7451铝合金铣削加工应力幅值及拉压特性,获得了铣削加工应力特征曲线。揭示了铣削加工工艺参数和刀具结构参数对加工应力的影响规律,分析了影响加工应力变化的主次因素,建立了铣削加工应力经验公式。基于化铣铝合金速率的标定试验,分析了不同毛坯初始应力和铣削应力耦合作用对不同厚度薄板变形的影响。通过化铣剥除加工应力,基于典型结构件变形对比分析,获得了毛坯初始应力和加工应力对工件变形的影响贡献率。基于ABAQUS仿真软件计算内核,利用自定制应用程序二次开发技术,开发了大型铝合金整体结构件变形预测平台,实现了大型复杂整体结构件变形快速预测仿真分析前处理建模、作业提交及后处理操作的参数化和自动化。以某民机长梁结构件为例,分析多应力因素耦合作用下工件加工变形规律,研究加工过程,复杂长梁结构件刚度演变规律。结果表明长梁结构件主要变形方式为弯曲变形,毛坯应力是变形的主要原因,加工应力使得长梁结构件产生一定扭转变形。

【学位名称】博士

【学位授予单位】山东大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】孙杰

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