基于ABAQUS軟件的管接嘴類零件加工仿真分析

劉俊文，羅志恒，傅仁科，余 剛

（1.海裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

隨著我國工業的迅速發展，在航空航天領域中，飛行器結構往往追求輕量化，因為飛行器結構輕量化可以有效降低載荷，使飛行器的飛行效率提高，因此，飛行器上所需的各種管路結構件往往會盡可能薄。現階段管接嘴類零件在生產制造過程中，零件裝夾固定時會受到夾具的夾緊力而發生變形，從而引起加工誤差。本文以三通管為例，通過采用Solid Works軟件分別建立工件、夾具模型并裝配，使用ABAQUS軟件對三通管的加工裝夾過程進行仿真分析，從而為后期優化管接嘴類零件的加工提供理論依據和技術支持。

1 工件裝夾變形分析

本文采用Solid Works軟件分別建立工件、夾具模型并裝配，采用ABAQUS軟件進行仿真分析。仿真分析過程包括三個階段：前處理、分析計算、后處理。本文以三通管為例，采用平壓頭與U形下夾頭方式進行裝夾。其中，前處理包括導入部件、創建材料、截面屬性和定義裝配件，由于管接嘴類零件一般采用鋁合金與合金鋼材料加工制作，為了分析夾頭材料對工件變形的影響，同時為了簡化運算，在模塊的材料和截面屬性的創建中分別將夾具材料設置為鋁合金和合金鋼進行仿真。

分析計算包括劃分網格、設置分析步、定義接觸和邊界條件以及提交分析作業。將工件-夾具裝配起來，將夾具與工件劃分四面體網格，采用結構靜態響應分析模式對工件進行分析。為了簡化分析過程，對使用平壓頭的方案，直接施加壓強載荷在工件上側方凸臺的表面，對使用U形或V形上夾頭的方案，在上夾頭上側方凸臺表面施加壓強載荷，用壓強載荷來模擬夾緊力F。一般情況下，夾頭裝夾方式有：①平壓頭與U形下夾頭，②U形上夾頭與U形下夾頭，③平壓頭與V形下夾頭，④V形上夾頭與V形下夾頭，由于本文以平壓頭與U形下夾頭方式進行裝夾三通管為例，裝夾如圖1所示，在設置加載力模塊中，在夾緊力設置方向設置夾緊力F，同時設置下夾頭下表面的邊界條件為U1=0。其中，網格劃分是仿真計算的重要步驟，網格的質量直接關系到計算速度和計算結果的準確度。此外，網格布置太稀疏容易造成網格畸變、計算不收斂，網格布置太密集又會占用太多的內存和時間。創建分析作業，將前面定義的模型和邊界條件提交求解器進行求解，提交分析作業。

圖1 平壓頭與U形下夾頭與裝夾時夾緊力施加方式圖

提交分析完成后，進入后處理模塊查看分析結果。分析結果可以多種方式顯示，包括位移、應力、應變分布云圖等，也可以讀取各類數據文件做進一步分析計算。由于工件、夾具、載荷的對稱性，選取三通管的2端來分析其夾緊前后的變形情況。而對于夾頭主要關注其在夾緊力方向上的位移。圖2和圖3為采用U形下夾頭及平壓頭裝夾方案的仿真分析結果輸出，此時夾頭材質為合金鋼，夾緊力F=6000N，方向與圖中坐標系z軸正方向相同，圖中y軸正向指向三通管的2端。

圖2 管接嘴在U型下夾頭及平壓頭裝夾的變形仿真云圖

圖3 U形下夾頭及平壓頭裝夾的變形仿真云圖

在后處理過程中，選取如圖4所示的三通管2端外圓面上的所有節點建立新的顯示組，并可建立空間柱坐標系，從而可以輸出夾緊前后節點對應的徑向位移值，三通管的徑向位移云圖如圖5所示。此時最大值為8.7μm，最小值為-12.3μm。其中，位移值為正值表示變形后該節點遠離中心軸，位移值為負值則表示該節點靠近中心軸。

圖4 三通管2端外圓面上節點構成的顯示組圖

圖5 三通管的徑向位移云圖

由于零件的夾緊變形主要受到夾緊力、裝夾方案等因素的影響，本文除了對夾緊力在F=6000N時，平壓頭與U形下夾頭與裝夾時進行有限元模擬進行分析，同時，采用控制變量法分別對不同夾緊力和裝夾方案進行有限元模擬進行分析。表1表示三通管平壓頭與U形下夾頭與裝夾時F分別為2000N、4000N、6000N、8000N和10000N管嘴2的外圓面上所有節點的徑向位移最值匯總，以分析三通管在不同夾緊力下的裝夾變形規律。表2表示夾緊力為6000N時，不同裝夾方案下管嘴2的外圓面上所有節點的徑向位移最值匯總。表3表示材料為合金鋼及鋁合金在夾緊力均為6000N時，三通管2端外圓面上節點徑向位移最值匯總。

表1 不同夾緊力下，工件管嘴2外圓面上節點位移最值匯總

表2 不同裝夾方案下，工件管嘴2外圓面上節點位移最值匯總

表3 三通管2端外圓面上節點徑向位移最值匯總

綜合比較各裝夾方案下的三通管裝夾變形仿真分析結果，可以得出以下結論：

1）各個裝夾方案下，夾緊力增大時，工件應力隨之呈比例增大；

2）上下夾頭均為U形頭時，工件裝夾變形量最小，當工件尺寸精度要求較高時，可選用此方案；

3）合金鋼的夾頭比鋁合金的夾頭裝夾效果更好；

4）合理設計夾具造型和合理選用夾緊力，避免應力集中導致工件局部變形量過大。

2 零件加工過程中切削力、夾緊力作用分析

切削力來源于刀具在切削時受到工件的彈塑性變形力以及摩擦力，影響切削力大小的因素包括工件材料、切削用量、刀具相關參數以及切削液等。利用ABAQUS有限元分析軟件進行分析，考慮夾緊力、切削力聯合作用，其中上、下夾具均采用U形夾頭，夾緊力設為6000N，夾具材料為合金鋼，工件材料為鋁合金，采用靜力分析方法進行仿真分析，對三通管2端位置進行分析。圖6中A、B、C、D點為零件仿真加工過程中選定點，又稱為切削點。徑向位移值匯總如表4所示，當三通管處于不同切削位置時，切削點的徑向位移也不同。

表4 不同切削狀態下各切削位置徑向位移最值匯總表

圖6 切削點的位置圖

圖7為A、B、C、D四個點所在截面，圖中外側標準圓虛線代表工件的初始表面；外側實線表示受夾緊力、切削力作用而變形的工件外圓表面；內側虛線為理想刀具軌跡，也為標準圓，內側紅色實線代表卸載后發生回彈變形的工件外圓表面；圖中打剖面線的區域代表加工中實際切除的區域。以切削B點為例，主切削力為300N時，B點徑向位移約為-9.4μm，則切削時B位置少切削了9.4μm，造成B位置實際半徑比標準值大約9.4μm。整理表4中數據，得到工件外圓面的誤差值預測，如表5所示，其中正值表示預測值比理想值大。從表中數據可以看出，直徑AC的值受切削力變化影響較大。

圖7 切削位置所在截面示意圖

表5 工件外圓面的誤差值預測匯總表

3 結論

綜合分析和研究三通管加工裝夾仿真結果，可以得出以下結論：

1）加工薄壁類管接嘴類零件時，合金鋼的夾頭比鋁合金的夾頭裝夾效果更好。當工件尺寸精度要求較高時，可采用上、下夾頭均為U形頭裝夾方式；

2）夾緊力增大時，工件應力也增大；

3）零件加工過程中，直徑方向受切削力變化影響較大；

4）應合理設計夾具造型并合理選用夾緊力和切削力，避免應力集中導致工件局部變形量過大。