一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法

1.本发明涉及金属材料加工领域和信号领域，特别地，涉及一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法。


背景技术：

2.板形件旋压成形技术是加工高精度空心回转体零件的有效方法，旋压成形时，金属板材通过尾顶顶压在芯轴的端部，并随芯轴同步旋转，同时一个或多个旋轮沿轴向和径向进给使毛坯与模具贴合。与其它加工回转体零件的成形工艺相比，板形件旋压成形工艺有以下优点：第一，旋压加工技术属于半模成形技术，模具工装简单灵活，能够实现少无切削加工，提高材料利用率从而降低生产成本；第二，旋压时毛坯与旋轮之间属于点接触，瞬间变形区小，所需的成形力小，对加工设备的吨位要求较低；第三，旋压变形区处于三向压应力状态，可充分激发材料的塑性成形能力，尤其适用于成形性能较差材料的加工成形，并且旋压后材料的机械性能明显提升。由于板形件旋压技术具有上述的优点，它在航空航天、兵器生产、汽车、医疗、能源和电气装备等领域得到了广泛的应用。
3.但是在板形件旋压的过程中很容易出现起皱现象，法兰起皱是板形件旋压成形过程中最常见的缺陷之一，对生产效率和材料的成形性有显著的影响。影响板形件旋压法兰起皱的因素有很多，包括板材的几何尺寸和机械性能、旋压工艺参数和芯模的几何尺寸等，其中板材的径厚比是影响板形件旋压法兰起皱的重要因素，不同径厚比的板材抗起皱的能力有很大的差异，高径厚比板材的法兰更容易起皱，起皱的问题更加突出，因此对于不同径厚比的板材，其法兰起皱的临界条件也不相同。在旋压的过程中，法兰的变形主要是由两个方面引起的，一是旋轮的弯曲作用，二是起皱造成的褶皱变形，这两种变形都类似于正弦波，而总的变形可以看作这两种变形的叠加，也即两种正弦波的叠加，因此，面对这种复杂的变形特征，普通的分析方法难以取得较好的效果。学者们对板形件旋压法兰起皱机理和起皱预测进行了大量的研究，建立有限元模型是研究板形件旋压法兰起皱现象的常用方法，通过有限元模型和数学模型相结合的方法，能够实现对板形件旋压法兰起皱现象的预测，但仍存在一定的局限性。因此，对于板形件旋压法兰起皱现象的预测，需要一种准确、可靠、快速的方法。
4.滤波是从含有干扰的接收信号中提取有用信号的一种技术。低通滤波器是允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或者干扰和噪音的滤波器，是保留小于截止频率信号的。而高通滤波器是允许信号中的高频或者交流分量通过，抑制低频或者直流分量的滤波器，是保留大于截止频率信号的。滤波处理能够将两种不同频率的正弦波分开，旋轮弯曲效应造成的波形频率较低，起皱造成的褶皱波形频率较高，对法兰边缘的轴向位置数据进行高通滤波处理，能够滤除旋轮的弯曲效应造成的影响。本发明提出一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，利用有限元仿真分析技术建立板形件旋压有限元模型并进行分析，利用中心化处理和高通滤波处理提取板形件旋压法兰起皱特征参数，并根据板形件旋压法兰起皱特征参数对法兰是否起皱进行判定，以实现对实际生产过程中
板形件旋压法兰起皱现象的预测。


技术实现要素：

5.针对实际生产过程中板形件旋压法兰起皱现象难以预测的问题，本发明提出一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，提取板形件旋压有限元模型中法兰边缘的轴向坐标数据，进行中心化处理、高通滤波处理和提取板形件旋压法兰起皱特征参数的操作，并根据板形件旋压法兰起皱特征参数对法兰是否起皱进行判定，实现对实际生产过程中板形件旋压法兰起皱现象的预测。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1、建立有限元模型并进行仿真计算：针对板形件旋压过程建立有限元模型并进行仿真计算，旋压毛坯为圆形金属板材，圆形金属板材的厚度为t，直径为d，建模分析过程包括建立部件、进行装配、定义属性、划分网格、定义接触关系、定义边界条件和提交job等步骤；
9.s2、提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据：旋压过程中的时间节点为t1，t2，
……
，tn，法兰边缘的各节点为p1，p2，
……
，pm，法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标记为xi＝{x
i1
，x
i2
，
……
，x
im
}；
10.s3、中心化处理：对法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标xi进行中心化处理以去除法兰位置的影响，中心化后的数据集记为x
i’＝{x
i1’，x
i2’，
……
，x
im’}，中心化计算公式为：
[0011][0012]
s4、滤波处理：使用数字滤波器对步骤s3中获得的数据集x
i’进行高通滤波以去除旋轮对法兰变形的影响，高通滤波后的数据集记为x
i-hign
＝{x
i1”，x
i2”，
……
，x
im”}；
[0013]
s5、提取板形件旋压法兰起皱特征参数：提取步骤s4中获得的数据集x
i-hign
的最大值x
i-hign-max
和最小值x
i-hign-min
，将x
i-hign
最大值最小值的差值x
i-hign-dev
与毛坯厚度t的比值定义为板形件旋压法兰起皱特征参数，记为ri，计算公式为：
[0014][0015][0016]
x
i-hign-dev
＝x
i-hign-max-x
i-hign-min
[0017][0018]
s6、判断是否起皱：将板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值记为rc，如果ti时刻的ri≥rc，则判定在ti时刻法兰已经发生起皱，反之，如果ti时刻的ri＜rc，则判定在ti时刻法兰未发生起皱，rc的取值如下式所示：
[0019]
[0020]
进一步地，所述步骤s1中的圆形金属板材可以为但不限于不锈钢、铝合金、钛合金等金属板材。
[0021]
进一步地，所述步骤s4中使用的数字滤波器可以为但不限于fir滤波器，高通滤波的截止频率为1.5/π～3.5/πhz。
[0022]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有方案相比，由于本发明采用了新的思路和方法，能够取得下列有益效果：
[0023]
1.本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，能够通过分析仿真的结果对实际生产中的板形件旋压法兰起皱现象进行预测，基于预测结果可以提前采取措施，优化板形件旋压工艺参数，避免板形件旋压法兰起皱的发生，减少实际生产过程中板形件旋压法兰起皱现象造成的损失。
[0024]
2.通过中心化处理和高通滤波处理，将板形件旋压过程中旋轮对法兰边缘位置波动的影响滤除掉，从而获得因法兰起皱造成的褶皱波形，避免在分析法兰起皱褶皱波形变化时由旋轮的弯曲效应引起较大的误差。
[0025]
3.针对不同径厚比的板形件旋压过程，选用相应的板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc，避免了薄板和厚板抗起皱能力不同造成的影响，提高了对板形件旋压法兰起皱预测的准确性。
附图说明
[0026]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0027]
图1是本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法的流程图；
[0028]
图2是板形件旋压有限元模型装配图；
[0029]
图3是实施例1中板形件旋压有限元模型仿真结果；
[0030]
图4是实施例2中板形件旋压有限元模型仿真结果；
[0031]
图5是实施例3中板形件旋压有限元模型仿真结果；
[0032]
图6是板形件旋压法兰发生起皱和未发生起皱的数据集x
i’的频域曲线的对比；
[0033]
图7是实施例1中板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况；
[0034]
图8是实施例2中板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况；
[0035]
图9是实施例3中板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况；
[0036]
图10是实施例1的板形件旋压实验结果；
[0037]
图11是实施例2的板形件旋压实验结果。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0039]
图1是本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，
包括建立有限元模型并进行仿真计算、提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据、中心化处理、滤波处理、提取板形件旋压法兰起皱特征参数和判断是否起皱等步骤。图2是板形件旋压有限元模型的装配图，基于此进行板形件旋压仿真计算。
[0040]
图3是直径d为200mm、厚度t为1.8mm的不锈钢金属板材在主轴转速为80r/min、进给比为1mm/r的旋压工艺参数下的仿真结果，仿真结果表明该工艺条件下法兰发生了起皱。图4是直径d为200mm、厚度t为1.8mm的不锈钢金属板材在主轴转速为80r/min、进给比为1.5mm/r的旋压工艺参数下的仿真结果，仿真结果表明该工艺条件下法兰发生了起皱。图5是直径d为200mm、厚度t为2.8mm的不锈钢金属板材在主轴转速为80r/min、进给比为0.75mm/r的旋压工艺参数下的仿真结果，仿真结果表明该工艺条件下法兰没有发生起皱。
[0041]
图6是板形件旋压法兰发生起皱和未发生起皱的数据集x
i’的频域曲线的对比，在频率的1.5/π～3.5/πhz范围内进行高通滤波，既保留了法兰起皱引起的高频部分波形，又尽可能的滤除了旋轮弯曲效应引起的低频部分波形，因此高通滤波的截止频率范围选取为1.5/π～3.5/πhz。
[0042]
图7是板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况，其中旋压毛坯为直径d等于200mm，厚度t等于1.8mm的不锈钢金属板材，旋压工艺参数为主轴转速：80r/min，进给比：1mm/r，图中曲线表明ri随着时间的增大超过了板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc，因此可以判定法兰发生了起皱，预测结果与板形件旋压仿真结果相吻合。图8是板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况，其中旋压毛坯为直径d等于200mm，厚度t等于1.8mm的不锈钢金属板材，旋压工艺参数为主轴转速：80r/min，进给比：1.5mm/r，图中曲线表明ri随着时间的增大超过了板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc，因此可以判定法兰发生了起皱，预测结果与板形件旋压仿真结果相吻合。图9是板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况，其中旋压毛坯为直径d等于200mm，厚度t等于2.8mm的不锈钢金属板材，旋压工艺参数为主轴转速：80r/min，进给比：0.75mm/r，图中曲线表明ri随着时间的增大没有超过板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc，因此可以判定法兰未发生起皱，预测结果与板形件旋压仿真结果相吻合。
[0043]
图10是直径d为200mm、厚度t为1.8mm的不锈钢金属板材在主轴转速为80r/min、进给比为1mm/r的旋压工艺参数下的旋压实验结果，实验结果表明法兰发生了起皱，与预测结果和仿真结果相吻合，说明本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法是可靠的。图11是直径d为200mm、厚度t为1.8mm的不锈钢金属板材在主轴转速为80r/min、进给比为1.5mm/r的旋压工艺参数下的旋压实验结果，实验结果表明法兰发生了起皱，与预测结果和仿真结果相吻合，说明本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法预测的结果是准确的。
[0044]
实施例1：
[0045]
参见图1、图2、图3、图6、图7和图10，本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，包括以下步骤：
[0046]
s1、建立有限元模型并进行仿真计算：针对板形件旋压过程建立有限元模型并进行仿真计算，旋压毛坯为圆形金属板材，圆形金属板材厚度为t＝1.8mm，直径为d＝200mm，建模分析过程包括建立部件、进行装配、定义属性、划分网格、定义接触关系、定义边界条件和提交job等步骤。其中所用的材料为304不锈钢，芯模小端直径为90mm，旋压工艺参数为：
主轴转速：80r/min，进给比：1mm/r，建立的板形件旋压模型如图2所示；
[0047]
s2、提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据：旋压过程中的时间节点为t1，t2，
……
，t
201
，法兰边缘的各节点为p1，p2，
……
，p
719
，法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标记为xi＝{x
i1
，x
i2
，
……
，x
i719
}；
[0048]
s3、中心化处理：对法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标xi进行中心化处理以去除法兰位置的影响，中心化后的数据集记为x
i’＝{x
i1’，x
i2’，
……
，x
i719’}；
[0049]
s4、滤波处理：使用fir数字滤波器对步骤s3中获得的数据集x
i’进行高通滤波以去除旋轮对法兰变形的影响，高通滤波后的数据集记为x
i-hign
＝{x
i1”，x
i2”，
……
，x
i719”}，高通滤波的截止频率为1.5/πhz；
[0050]
s5、提取板形件旋压法兰起皱特征参数：提取步骤s4中获得的数据集x
i-hign
的最大值x
i-hign-max
和最小值x
i-hign-min
，将x
i-hign
的最大值最小值的差值x
i-hign-dev
与毛坯厚度t的比值定义为板形件旋压法兰起皱特征参数，记为ri；
[0051]
s6、判断是否起皱：板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc＝1.11，板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况如图7所示，根据图像可以判定法兰在ti＝36.3s时刻发生了起皱，板形件旋压仿真的结果如图3所示，板形件旋压实验的结果如图10所示，仿真结果和实验结果表明法兰发生了起皱，说明该方法的预测结果与仿真结果和实验结果相吻合。
[0052]
实施例2：
[0053]
参见图1、图2、图4、图8和图11，本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，包括以下步骤：
[0054]
s1、建立有限元模型并进行仿真计算：针对板形件旋压过程建立有限元模型并进行仿真计算，旋压毛坯为圆形金属板材，圆形金属板材的厚度为t＝1.8mm，直径为d＝200mm，建模分析过程包括建立部件、进行装配、定义属性、划分网格、定义接触关系、定义边界条件和提交job等步骤。其中所用的材料为304不锈钢，芯模小端直径为90mm，旋压工艺参数为：主轴转速：80r/min，进给比：1.5mm/r，建立的板形件旋压模型如图2所示；
[0055]
s2、提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据：旋压过程中的时间节点为t1，t2，
……
，t
188
，法兰边缘的各节点为p1，p2，
……
，p
719
，法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标记为xi＝{x
i1
，x
i2
，
……
，x
i719
}；
[0056]
s3、中心化处理：对法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标xi进行中心化处理以去除法兰位置的影响，中心化后的数据集记为x
i’＝{x
i1’，x
i2’，
……
，x
i719’}；
[0057]
s4、滤波处理：使用fir数字滤波器对步骤s3中获得的数据集x
i’进行高通滤波以去除旋轮对法兰变形的影响，高通滤波后的数据集记为x
i-hign
＝{x
i1”，x
i2”，
……
，x
i719”}，高通滤波的截止频率为1.5/πhz；
[0058]
s5、提取板形件旋压法兰起皱特征参数：提取步骤s4中获得的数据集x
i-hign
的最大值x
i-hign-max
和最小值x
i-hign-min
，将x
i-hign
的最大值最小值的差值x
i-hign-dev
与毛坯厚度t的比值定义为板形件旋压法兰起皱特征参数，记为ri；
[0059]
s6、判断是否起皱：板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc＝1.11，板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况如图8所示，根据图像可以判定法兰在ti＝20.6s时刻发生了起皱，板形件旋压仿真的结果如图4所示，板形件旋压实验的结果如图11
所示，仿真结果和实验结果表明法兰发生了起皱，说明该方法的预测结果与仿真结果和实验结果相吻合。
[0060]
实施例3：
[0061]
参见图1、图2、图5和图9，本发明提出的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，包括以下步骤：
[0062]
s1、建立有限元模型并进行仿真计算：针对板形件旋压过程建立有限元模型并进行仿真计算，旋压毛坯为圆形金属板材，圆形金属板材的厚度为t＝2.8mm，直径为d＝200mm，建模分析过程包括建立部件、进行装配、定义属性、划分网格、定义接触关系、定义边界条件和提交job等步骤。其中所用的材料为304不锈钢，芯模小端直径为90mm，旋压工艺参数为：主轴转速：80r/min，进给比：0.75mm/r，建立的板形件旋压模型如图2所示，板形件旋压模型的结果如图5所示；
[0063]
s2、提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据：旋压过程中的时间节点为t1，t2，
……
，t
201
，法兰边缘的各节点为p1，p2，
……
，p
799
，法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标记为xi＝{x
i1
，x
i2
，
……
，x
i799
}；
[0064]
s3、中心化处理：对法兰边缘各节点在ti时刻的轴向坐标xi进行中心化处理以去除法兰位置的影响，中心化后的数据集记为x
i’＝{x
i1’，x
i2’，
……
，x
i799’}；
[0065]
s4、滤波处理：使用fir数字滤波器对步骤s3中获得的数据集x
i’进行高通滤波以去除旋轮对法兰变形的影响，高通滤波后的数据集记为x
i-hign
＝{x
i1”，x
i2”，
……
，x
i799”}，高通滤波的截止频率为3.5/πhz；
[0066]
s5、提取板形件旋压法兰起皱特征参数：提取步骤s4中获得的数据集x
i-hign
的最大值x
i-hign-max
和最小值x
i-hign-min
，将x
i-hign
的最大值最小值的差值x
i-hign-dev
与毛坯厚度t的比值定义为板形件旋压法兰起皱特征参数，记为ri；
[0067]
s6、判断是否起皱：板形件旋压法兰起皱特征参数ri的临界值rc＝0.71，板形件旋压法兰起皱特征参数ri的值随时间的变化情况如图9所示，根据图像可以判定法兰未发生起皱，板形件旋压仿真的结果如图5所示，仿真结果表明法兰发生了起皱，说明该方法的预测结果与仿真结果相吻合。

技术特征：
1.一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、建立有限元模型并进行仿真计算：针对板形件旋压过程建立有限元模型并进行仿真计算，旋压毛坯为圆形金属板材，圆形金属板材的厚度为t，直径为d，建模分析过程包括建立部件、进行装配、定义属性、划分网格、定义接触关系、定义边界条件和提交job等步骤；s2、提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据：板形件旋压过程中的时间节点为t1，t2，
……
，t
n
，法兰边缘的各节点为p1，p2，
……
，p
m
，法兰边缘各节点在t
i
时刻的轴向坐标记为x
i
＝{x
i1
，x
i2
，
……
，x
im
}；s3、中心化处理：对法兰边缘各节点在t
i
时刻的轴向坐标x
i
进行中心化处理以去除法兰位置的影响，中心化后的数据集记为x
i’＝{x
i1’，x
i2’，
……
，x
im’}，中心化计算公式为：s4、滤波处理：使用数字滤波器对步骤s3中获得的数据集x
i’进行高通滤波以去除旋轮对法兰变形的影响，高通滤波后的数据集记为x
i-hign
＝{x
i1”，x
i2”，
……
，x
im”}；s5、提取板形件旋压法兰起皱特征参数：提取步骤s4中获得的数据集x
i-hign
的最大值x
i-hign-max
和最小值x
i-hign-min
，将x
i-hign
的最大值最小值的差值x
i-hign-dev
与毛坯厚度t的比值定义为板形件旋压法兰起皱特征参数，记为r
i
，计算公式为：，计算公式为：x
i-hign-dev
＝x
i-hign-max-x
i-hign-min
s6、判断是否起皱：将板形件旋压法兰起皱特征参数r
i
的临界值记为r
c
，如果t
i
时刻的r
i
≥r
c
，则判定在t
i
时刻法兰已经发生起皱，反之，如果t
i
时刻的r
i
＜r
c
，则判定在t
i
时刻法兰未发生起皱，r
c
的取值如下式所示：2.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，其特征在于：所述步骤s1中的圆形金属板材可以为但不限于不锈钢、铝合金、钛合金等金属板材。3.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，其特征在于：所述步骤s4中使用的数字滤波器可以为但不限于fir滤波器，高通滤波的截止频率为1.5/π～3.5/πhz。

技术总结
本发明公开了一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，该方法的步骤如下：(1)建立有限元模型并进行仿真计算(2)提取模型中法兰边缘的轴向坐标数据(3)中心化处理(4)滤波处理(5)提取板形件旋压法兰起皱特征参数(6)判断是否起皱。本发明提出一种基于有限元仿真分析的板形件旋压法兰起皱预测方法，提取板形件旋压有限元模型中法兰边缘的轴向坐标数据，进行中心化处理、高通滤波处理和提取板形件旋压法兰起皱特征参数的操作，并根据板形件旋压法兰起皱特征参数对法兰是否起皱进行判定，实现对实际生产过程中板形件旋压法兰起皱现象的预测。兰起皱现象的预测。兰起皱现象的预测。


技术研发人员：谭先华 黄金辉 蔺永诚 陈明松 何道广 汪宏天
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/9