不同裝夾方式下航空整體結構件的模態研究

姜匯洋

摘要：航空整體結構件因具有質量小、效率和性能可靠的特點被廣泛應用于航空航天領域，同時整體結構件通常為薄壁結構，因其尺寸較大，內部結構形式復雜而導致加工周期較長，又因其薄壁結構易產生加工變形而導致加工精度難以達到技術要求。文章分析了影響整體結構件變形的主要因素，對不同裝夾方式下航空整體結構件的模態進行了研究。

關鍵詞：航空整體結構件；固有頻率；最大相對位移；裝夾方式；航空航天 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG333 文章編號：1009-2374（2016）26-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.009

1 航空整體結構件的制造技術研究

1.1 航空整體結構件的數控加工技術研究

航空整體結構件的加工存在著很多難以控制的因素，例如加工變形、加工周期長等，這是由于結構復雜、尺寸較大、壁薄等原因引起的。為了避免以上原因，在高速加工的切削過程中，將產生的多數熱量通過切削帶走，因為小的切削力可以降低薄壁的機械變形，這一技術廣泛使用在整體結構件的加工中。航空整體結構件的高速加工對以下三方面提出的要求：

1.1.1 刀具材料。高速切削刀具材料要達到在高溫過程中的力學、抗粘結、化學穩定性（包括氧化性、擴散性、溶解度等）、熱物理及抗熱震等一系列性能需求。

1.1.2 走刀與工藝。加工時，通過順銑方式加工，達到減少產生的熱量，同時減小徑向力。整體結構件加工方式為分層切削，小軸向、大徑向切深。而薄壁結構件的腹板加工則是最后一刀采用大的軸向切深，達到提升加工系統剛度的同時，減小腹板變形。

1.1.3 裝夾方式。由于結構件主要是表面有多個槽腔和孔結合而成的雙面結構件，不易裝夾，因此提出保證翻面加工過程中便于定位、支撐以及較薄結構件方便輔助支撐、在加工外輪廓過程中可以持續切削等一系列要求。

1.2 航空整體結構件加工質量分析

加工精度和表面質量是航空整體結構件的加工質量主要指標，其中結構件的變形是影響加工精度的主要原因。導致整體結構件加工變形的主要原因如下：

1.2.1 結構件特性的影響。航空整體結構件材質上通常以航空鋁合金為主，結構上多采用薄壁結構，因此在加工過程中不可避免地會產生一定程度上的回彈。

1.2.2 毛坯初始殘余應力的影響。機加工使毛坯尺寸甚至外觀產生較大變化，破壞了原本初始殘余應力平衡。結構件需要重新平衡內部應力，從而導致了結構件的變形。

1.2.3 切削力的影響。切削時刀具與結構件接觸，切削力會導致結構件回彈變形，當切削力超過材料的彈性極限時就會導致結構件的塑性形變。同時切削加工時會產生局部高溫，若沒有足夠的冷卻會導致結構件因長時間處于不均勻溫度場而加劇其形變。

1.2.4 裝夾因素的影響。在加工過程中切削機械應力、切削熱應力以及裝夾應力的耦合，引起結構件內應力的重新分布，引發了結構件的變形。

1.2.5 走刀路線和工步順序的影響。不合理的走刀路線以及工步順序會導致結構件因應力釋放順序錯亂而導致薄壁件不同程度的變形。

2 航空整體結構件的動力學模型

航空領域為控制整體的質量其整體結構件多以薄壁件為主，在機加工的過程中容易產生振動，當加工刀具等產生的激振源頻率與系統的固有頻率相同時，就會導致共振的發生，進而影響了結構件的加工精度。相對于薄壁的結構件，機床工作臺及夾具可以視為剛體。采用有限元方法建立航空框類整體結構件動力學模型時，首先將工件離散成有限個單元，然后再在根據各節點的位移協調條件和平衡條件建立整體剛度方程：

式中：[M]、[C]、[K]分別為結構質量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣；{x}和{F（t）}分別為節點位移和節點載荷向量。

當不考慮阻尼影響且節點載荷向量為{0}時，得到無阻尼振動的動力學方程：

3 航空整體結構件在不同裝夾方式下的模態分析

為分析裝夾因素對結構件的影響，本文選取較為常見的結構件來分析裝夾對其的影響。工件毛坯形狀為335×98×63的長方體，側壁厚及底板厚為5。材質為航空結構件中常見的航空鋁合金7050-T7451，其彈性模量為71GPa，泊松比為0.334。形狀及夾具元件布置圖如圖1所示。為方便建模及計算，夾頭設為R=8、H=10的圓柱體，夾具元件位置用夾頭與工件接觸區域中心表示。夾頭材料為AISI 1144淬硬鋼，彈性模量為207GPa，泊松比為0.292。夾具元件限制了X、Y、Z三個移動方向的自由度以及X、Y、Z三軸的轉動自由度。夾具元件對工件的約束通過定義接觸對實現，夾具元件與工件之間的摩擦系數為0.4。工件采用8節點3維實體單元C3D8I。

圖中1、2、3、4、5、6為定位元件；a、b、c為夾緊元件。布置圖中各元件的坐標1（-177.5，0，33）；2（105.5，-59，47）；3（-81.5，-59，47）；4（

-157.5，39，-10）；5（-157.5，-39，-10）；6（157.5，0，-10）；a（177.5，0，33）；b（99.5，59，47）；c（-79.5，59，47）。

ABAQUS是一款經典的有限元軟件，其中Frequency模塊是最為常見的模態分析工具，本文利用該軟件模塊對該結構件進行固有頻率以及最大相對位移的分析。固有頻率的結果如圖2所示：

通過對圖2的分析可以得出：該長方體結構件是以Y軸方向振動為主的正弦型振型。Y軸方向振動是以Y軸方向為主是由于該結構件在Y軸方向的剛度薄弱。而側壁上邊緣振動幅度大，則說明側壁上邊緣剛度薄弱。薄壁結構件加工中為避免產生共振，通常要合理地選配刀具和切削用量。

通過上述分析在后續方案中采用了在原有裝夾方式的基礎上，增加工件側壁上頂面壓板方式來增強Y軸方向以及邊緣的剛度。該方案的夾具元件布置圖見圖3。上定壓板尺寸的為長10×5×5。

由圖4（a）可得出：方案二的剛度要大于方案一，具體表現為方案二各階的固有頻率均要大于對應的方案一中的固有頻率。由圖4（b）可得出，方案二的主振型的幅值要低于方案一，具體體現為方案二各階的最大相對位移均要小于方案一所對應的最大相對位移。

4 結語

本文首先分析了航空整體構件加工的特點以及影響加工精度的因素，隨后建立了結構件的動態模型，通過一長方體的典型構件，利用有限元軟件進行了模態分析得出了其在不同裝夾方式下的固有頻率及振型，計算結果表明，側壁上增加頂面壓板的裝夾布局更有利于長方體構件的加工。

參考文獻

[1] 趙威，何寧，武凱.航空薄壁件的刀具偏擺數控補償加工技術[J].機械制造與自動化，2002，（5）.

[2] 孫杰.航空整體結構件數控加工變形校正理論和方法研究[D].浙江大學，2004.

[3] 刁成順，王印凱.Fr8大型薄壁環形件的加工[J].航空制造工程，1996，（6）.

（責任編輯：黃銀芳）