[发明专利]基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，包括：步骤一，关重件模型简化和铸造系统三维建模；步骤二，关重件铸造过程有限元仿真；步骤三，关重件铸造应力场的系数修正；步骤四，关重件机加工残余应力仿真；步骤五，关重件热时效过程残余应力有限元仿真。本发明实现了铸造、切削和热时效过程的多工序连续仿真；且其以盲孔法试验测量值为参考，提取关重件铸造仿真对应点的应力值，通过MATLAB运用最小二乘法拟合出对应点的试验值和仿真值误差最小的修正系数，然后对整个铸造应力场数据进行修正，提高了有限元仿真的计算精度，并解决了准确将横梁修正后的铸造应力场导入到ABAQUS中的技术问题。

主权项

1.一种基于有限元的机床关重件残余应力多工序连续建模仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：关重件铸造系统三维建模1)根据机床关重件的实际铸件工艺，应用三维建模软件简化关重件的三维模型；2)应用三维建模软件设计出关重件的铸造系统的三维模型装配体，所述铸造系统包括浇注系统和冒口，并将关重件铸造系统的三维模型装配体以IGES格式输出；3)将IGES格式文件导入铸造有限元仿真软件ProCAST中；步骤二：关重件铸造过程有限元仿真1)在ProCAST中建立关重件的砂箱模型，修复关重件铸造系统的三维模型装配体中的重叠面和实体相交区域，确定关重件、浇注浇注系统、冒口、砂箱有限元网格单元尺寸大小，得到有限元网格模型；2)设置关重件、浇注系统、砂箱、以及型砂的材料属性参数，根据实际铸造工艺设置铸造仿真的浇注方向、各部件间界面换热系数、冷却条件、浇注温度和时间、保温时间、开箱温度等工艺参数，仿真得到关重件铸造过程温度和应力的变化规律；步骤三：关重件铸造应力场的系数修正1)输出ProCAST仿真得到的铸造应力，并通过盲孔法试验测量得到关重件上有限个点的残余应力值；2)提取盲孔法测点对应的铸造仿真残余应力值，假设盲孔法测点试验值为对应点的铸造仿真应力值为S_k，k为测量点的个数，通过最小二乘法当f(a)最小时求得关重件铸造应力修正系数a，然后将关重件铸造应力场仿真值乘以该修正系数a，完成对整个关重件铸造应力场数据的修正；步骤四：关重件机加工残余应力仿真1)加载铸造仿真网格模型和系数修正后的铸造应力场，其包括：将有限元网格模型inp格式文件导入ABAQUS中，并把修正后的关重件铸造应力场用Excel编辑处理后，通过编辑模型关键字语句加载铸造应力；2)切削仿真参数设置，其中切削仿真中密度、弹性模量、泊松泊松比、热传导系数等应与铸造中的材料属性参数一致，并采用单元生死法模拟切削加工中的材料去除，得到铸件材料切削去除后的应力场；步骤五：关重件热时效过程残余应力有限元仿真关重件热时效过程残余应力有限元仿真采用温度‑位移间接耦合模式，包括瞬态热分析和非线性结构分析；1)瞬态热分析得到关重件热时效过程的温度变化，包括步骤：a、在ABAQUS中导入切削仿真后的有限元网格模型；b、设置与铸造、切削相同的材料属性参数；c、修改分析类型和有限元网格单元类型；d、结合实际热时效工艺加载温度参数和设置预定义温度场，仿真得到热时效过程中温度场的变化结果；2)非线性结构分析，包括步骤：e、复制热时效过程中瞬态热分析的有限元仿真模型；f、修改单元分析类型为静力通用，设置非线性结构分析中的边界条件；g、导入瞬态热分析的温度场变化结果；h、将关重件材料切削去除后的应力场作为热时效模拟预应力加载至有限元模型，并导入瞬态热分析中温度场变化的结果，仿真得到热时效后关重件的残余应力。