[发明专利]用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械工程技术，具体地，涉及一种用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法。

背景技术

激光喷丸成形工艺在飞机机翼、机身及运载火箭燃料箱等大型结构的复杂曲面形状工件成形中具有广阔的应用前景。由于该工艺采用激光作为能量源，工艺参数可控性强，从而更易于实现大型工件的精确成形。但是，由于激光喷丸成形工艺是一种无模成形工艺，其成形整体壁板等工件是通过控制成形表面激光喷丸参数和路径来实现的。由于没有确定的模具来保证获得目标形状，给工艺参数和喷丸路径的控制带来了极大的困难。

申请号为200510040116.9的发明公开的一种中厚板材激光喷丸成形的方法，根据加工零件的曲面形状，通过计算机控制系统模拟出所需应力场分布形状，优化出作用在板料表面的冲击波压力及喷丸轨迹分布，但是该方法没有关注引起曲面变形的根本原因——固有应变，没有提供如何获得工艺参数的方法，更没有实现工艺参数的优化，成形复杂曲率的壁板难度很大；此外，申请号为201310384814.5的发明公开的一种整体壁板的数字化喷丸成形方法，对整体壁板的几何信息及材料特性进行分析后，确定喷丸路径和喷丸工艺参数，基于三维软件对喷丸路径和工艺参数的选择完全建立在几何特征的基础上，计算效率和准确性都难以满足实际需求。

综上所述，现有的关于激光喷丸成形工艺方法中工艺参数的确定过于依赖曲面的几何特征，而没有考虑引起材料变形的本质特征——固有应变。由于激光喷丸成形工艺的复杂性，通过人工调节参数达到与目标曲面相同的应力分布难度很大，对形状比较复杂的曲面成形精度不高。此外，不同的工艺参数可以达到相同的变形结果，但是成形效率和消耗的能量会存在很大的差别，现有的工艺方法忽略了工艺参数优化的问题。所以，亟需一种基于曲面变形本质特征可以用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于确定复杂形状曲面激光喷丸成形工艺参数的方法，能够根据已知的复杂形状工件的曲面描述方程，进行曲面的几何特征分析计算出主应变方向，建立以深度方向固有应变分布为变形来源的工件弯曲变形有限元模型，以固有应变为中间量通过仿真优化来获得不同位置深度方向的固有应变分布；然后通过建立不同工艺参数下的固有应变响应面模型，通过工艺参数优化分析获得不同位置固有应变对应的激光喷丸成形工艺参数。

根据本发明提供的用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据工件的曲面参数方程，进行工件的曲面的几何特征分析计算出主应变方向，进而得到激光喷丸成形中激光脉冲扫描方向；

步骤2：建立以深度方向固有应变分布为变形来源的工件弯曲变形有限元模型，固有应变方向为所述主应变方向，通过固有应变场优化，得到工件不同位置沿深度方向固有应变分布；

步骤3：根据不同激光喷丸成形工艺参数下的固有应变响应面模型以及所述工件不同位置深度方向的固有应变，进行激光喷丸成形工艺参数优化，得到与工件表面不同固有应变场相对应的最佳激光喷丸成形工艺参数。

优选地，所述曲面参数方程，具体为，根据已知工件的曲面方程或部分点坐标，通过参数变换或是Bezier曲线获得相应的曲面参数方程其中，Σ为曲面的符号表示，为曲面的向量函数方程，u,v分别为曲面的参数坐标。

优选地，其特征在于，所述主应变方向，具体为，采用微分几何曲面理论，根据曲面的几何特征，通过曲面主曲率的计算公式求解曲面节点的主曲率方向作为固有应变平面的主应变方向。

优选地，其特征在于，所述激光脉冲的扫描方向，为根据求解出的固有应变平面的主应变方向，将最小的主应变方向作为激光脉冲扫描方向。

优选地，其特征在于，根据有限元仿真，沿深度方向的固有应变分布满足分布函数ε^*：

ε^*＝a*EXP(-((x-b)/c)²)(1)

其中，x为工件厚度方向位置，上表面x＝0；a，b，c为设计变量。

优选地，所述工件弯曲变形有限元模型，具体为，根据工件壁板厚度建立相应的分层壳单元，定义壁板材料属性中的各向异性热膨胀系数α和单元温度场，在温度场ΔT下相应的固有应变ε为ε＝αΔT，

α(x,y,z)＝ε^*(x,y,z)(2)

T(x,y,z)＝1(3)