[发明专利]一种表面加工残余应力场引起的加工变形的计算方法

说明书

本发明公开了一种表面加工残余应力场引起的加工变形的计算方法。在本方法中，通过对零件表面加工残余应力场的建模和分析，将表面残余应力场对变形的作用等价于一组表面力和边缘力。通过在有限元模型中施加相应表面力和边缘力，完成表面加工残余应力场引起的变形计算。相对于传统方法，本方法需要的单元数目少，对网格划分没有特殊要求，能处理更大尺度的问题，使得在汽轮机和航空发动机的大型叶片、船用大尺度螺旋桨上的应用成为了可能。

技术领域

本发明涉及机械加工的物理仿真领域，尤其是复杂曲面零件的表面加工变形的计算领域，更具体地，涉及一种表面加工残余应力场引起的加工变形的计算方法。

背景技术

加工变形是机械零件加工过程中的普遍现象。零件加工变形的是由于切削力、切削热、基底残余应力的释放、表面加工残余应力场的产生和机床夹具等的共同作用。通常这种加工变形大小在微米量级，可以忽略不计。但对于大尺度构件和薄壁件，这种加工变形常常在毫米级，接近零件的设计公差，会大大增加废品率和影响零件的加工质量。

由表面加工残余应力场引起的加工变形是加工变形的一种主要形式，有时是加工变形的主要部分。预测由表面加工残余应力场引起的加工变形对控制此变形有重要意义。传统的预测方法包括直接将表面残余应力场施加到零件有限元模型中的“直接映射法”和E.Brinksmeier提出的“源应力法”。其中直接映射法处理曲面问题耗费大量计算资源以至于在较大尺度零件上应用有很大困难；源应力法只适用于平面问题。另外如图1b所示，直接映射法还对网格划分有特殊要求，其表面影响层(加工表面下几十至几百微米内)需划分多层网格，以保证网格内部有足够数量的单元来映射残余应力，通常需要划分数百万个计算单元才能得到足够精确的结果。没有经验的使用者使用直接映射法时，不符合要求的网格(表面影响层内没有足够数量的单元来映射残余应力)可能得到不精确的甚至得到错误的结果。

发明内容

针对现有表面加工残余应力场引起的加工变形的计算方法存在的缺点，本发明旨在提供一种能够克服现有两种方法中分别存在的不适用于曲面问题和耗费大量计算资源、无法处理大尺度曲面零件、对网格划分和使用者经验有较高要求等缺点的新的表面加工残余应力场引起的加工变形的计算方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种由表面加工残余应力场引起的加工变形的计算方法，该方法包括以下步骤：

(1)划分单元网格；

(2)读取有限元数据，获取有限元模型信息，包括加工表面上的有限元节点和加工表面边缘的有限元节点；

(3)对于加工表面上的每个有限元节点，计算等效体积力矢量f^e；

(4)对于加工表面上的每个有限元节点，将等效体积力矢量f^e等效成等效面力矢量T：

其中，H为表面变质层厚度；

(5)对于加工表面上的每个有限元节点，计算简化后的等效面力矢量T的等效节点力F_surface：

其中，T_i是有限元节点i对应的等效边力矢量；

N_i是有限元节点i对应的单元形函数；

N是待求取节点的单元形函数；

(6)对于加工表面边缘的每个有限元节点，计算等效面力矢量t^e；

(7)对于加工表面边缘的每个有限元节点，将等效面力矢量t^e等效成等效线载荷P：

其中，H为表面变质层厚度；