一種產(chǎn)品虛擬塑性加工技術(shù)

牛余寶，趙艷華，于洋濤

(空軍航空大學(xué) 航空理論系，長(zhǎng)春 130022)

一種產(chǎn)品虛擬塑性加工技術(shù)

牛余寶，趙艷華，于洋濤

(空軍航空大學(xué) 航空理論系，長(zhǎng)春 130022)

產(chǎn)品塑性冷彎曲加工技術(shù)是一種先進(jìn)的加工技術(shù)，目前該技術(shù)通常在真實(shí)塑性加工機(jī)器上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。本文針對(duì)管材塑性加工設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套CAD/CAPP/CAE彎管虛擬仿真系統(tǒng)，應(yīng)用現(xiàn)在成熟的商用軟件，采用VC++語(yǔ)言環(huán)境對(duì)該軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)接口程序?qū)崿F(xiàn)Pro/E、Ansys等軟件模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。可以通過(guò)該仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彎管CAD建模，CAPP工藝參數(shù)規(guī)劃，CAE有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

冷彎管;CAD/CAPP/CAE;仿真系統(tǒng)

0 引言

彎管技術(shù)在壓力容器制造業(yè)、石油化工、汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、船舶制造業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。冷彎管的工藝參數(shù)制定、彎管成形質(zhì)量預(yù)測(cè)成為當(dāng)前的行業(yè)熱點(diǎn)［1］。

彎管工藝彎曲成形力學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜，單純采用理論解析方法難以準(zhǔn)確可靠地解決問(wèn)題［2］。在當(dāng)前行業(yè)生產(chǎn)中，各廠家采用參照經(jīng)驗(yàn)加試制驗(yàn)證的方法，造成時(shí)間和人力物力上的很大消耗［3］。本文提出一種彎管CAD/CAPP/CAE集成仿真系統(tǒng)，應(yīng)用Pro/E、Ansys商用軟件為平臺(tái)，在VC++語(yǔ)言環(huán)境下對(duì)該商業(yè)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)接口程序使Pro/E、Ansys等應(yīng)用程序模塊之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。

1 彎管工藝概述

如圖1所示，彎管模具主要包括:扇形盤(pán)、夾塊、滑槽、防皺板、頂鐓機(jī)構(gòu)、芯子、芯桿，主要成型零件是扇形盤(pán)。彎管時(shí)扇形盤(pán)由電機(jī)帶動(dòng)繞中心旋轉(zhuǎn)。夾塊與扇形盤(pán)相配合將管子夾住，管子與扇形盤(pán)同步轉(zhuǎn)動(dòng)?；劢o管子提供向心推力。芯子、芯桿相配合使管子定位并且支撐管子內(nèi)壁，確保管子截面橢圓度不會(huì)超差。彎管時(shí)芯子與管子內(nèi)壁發(fā)生摩擦，會(huì)使管子外壁的減薄率增加，容易發(fā)生管壁破裂。防皺板用來(lái)防止內(nèi)壁褶皺，頂鐓機(jī)構(gòu)是防止變形區(qū)外側(cè)管壁變薄。

圖1 冷彎管過(guò)程示意圖

2 彎管虛擬集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

彎管虛擬系統(tǒng)針對(duì)彎管流程為工程技術(shù)人員提供全過(guò)程仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)把復(fù)雜的有限元建模過(guò)程和具體求解算法作為“黑匣子”處理。直接提供給工程技術(shù)人員友好的界面，用戶根據(jù)提示輸入正確的參數(shù)，就可以完成建模過(guò)程和仿真交驗(yàn)過(guò)程，這些程序由后臺(tái)有限元程序進(jìn)行分析。系統(tǒng)完成求解后，可以根據(jù)工程技術(shù)人員的需要提交結(jié)果數(shù)據(jù)、等值線圖和變形仿真動(dòng)畫(huà)。工程技術(shù)人員還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，得到滿意的模具形狀，用以指導(dǎo)生產(chǎn)。彎管虛擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 彎管虛擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)用成熟的商用軟件作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此需要合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件間的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)圍繞零件特征建模、有限元分析、彎管模具優(yōu)化、工藝報(bào)表自動(dòng)生成等功能，在后臺(tái)系統(tǒng)總控制的支配下實(shí)現(xiàn)各模塊之間的信息流傳遞。該平臺(tái)以VC++為開(kāi)發(fā)和調(diào)試支撐語(yǔ)言編寫(xiě)，其中Pro/E、Ansys的接口技術(shù)采用OLE機(jī)制。使CAD/CAPP/CAE工作流程可以有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和工藝加工的標(biāo)準(zhǔn)化。

如圖4所示，彎管仿真系統(tǒng)的啟動(dòng)界面包含主菜單、圖形導(dǎo)入?yún)^(qū)、參數(shù)輸入?yún)^(qū)、參數(shù)優(yōu)化區(qū)等部分。系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的CAE模塊?？梢詣?dòng)態(tài)地、直觀地將彎管成形過(guò)程展示給用戶，工程技術(shù)人員可以根據(jù)以此確定彎矩、管子規(guī)格、材質(zhì)、管子截面形狀之間的關(guān)系，替代耗費(fèi)人力物力的物理樣機(jī)試驗(yàn)，能夠有效地提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

圖4 系統(tǒng)啟動(dòng)界面

3 彎管虛擬集成系統(tǒng)的主要模塊與功能

3.1 彎管模擬環(huán)境下CAD參數(shù)化建模模塊的加載

冷彎管工藝具有可彎制復(fù)雜空間管件的特點(diǎn)，這類管件的空間尺寸通常難以用設(shè)計(jì)圖紙精確表達(dá)，工藝人員設(shè)計(jì)和制造的難度很大。彎管虛擬系統(tǒng)的CAD模塊在成熟三維CAD軟件環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)化二次開(kāi)發(fā)，可以根據(jù)管件的特征定義和零件參數(shù)化建模，直觀地繪制出管件模型，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)模型特征在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題?？梢杂行У乇苊庠O(shè)計(jì)人員和工藝人員理解不一致，確保模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和完整性。

三維CAD軟件Pro/Engineer具有參數(shù)化驅(qū)動(dòng)尺寸的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)基于該軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。仿真系統(tǒng)預(yù)先完成典型彎管件的建模，根據(jù)用戶輸入的管件實(shí)際尺寸數(shù)值驅(qū)動(dòng)模型的相關(guān)參數(shù)，繪制出彎管件。工藝人員需要根據(jù)系統(tǒng)界面提示輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模給用戶提交一個(gè)可以在三維空間中自由縮放、變換視角觀察的管形，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出管坯下料尺寸和相關(guān)工藝參數(shù)。

CAD程序包含啟動(dòng)Pro/E、生成模型、保存模型三部分。輸入管子尺寸、滑槽尺寸等幾何參數(shù)和彎曲半徑、彎曲角度等加工參數(shù)可生成如圖5所示的待加工管子模型、模盤(pán)、滑塊等一系列胚料和工裝。

圖5 彎管系統(tǒng)CAD模塊生成模型

3.2 彎管虛擬環(huán)境下CAE有限元分析

冷彎管過(guò)程中，管件與模具接觸受力情況非常復(fù)雜，如何使力學(xué)模型真實(shí)反映實(shí)際情況，正確預(yù)測(cè)冷彎管工藝的變形和狀態(tài)進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，，是系統(tǒng)的難點(diǎn)所在。為使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)橢圓度、減薄率、回彈量等彎管質(zhì)量參數(shù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)力。本系統(tǒng)采用有限元仿真結(jié)果和企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合修正的方法，根據(jù)多組彎管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整接觸參數(shù)設(shè)置。

在彎管虛擬校驗(yàn)環(huán)境下，進(jìn)行CAE參數(shù)化建模與分析。工程人員根據(jù)對(duì)話框界面，輸入彎管仿真分析的幾何尺寸與工作參數(shù)，系統(tǒng)將自動(dòng)生成與輸入?yún)?shù)相嵌套的APDL語(yǔ)言，啟動(dòng)有限元分析軟件ANSYS。CAE有限元分析模塊的加載部分程序如下:

如圖6所示，CAE模塊主界面包括輸入輸出文件控制、求解選項(xiàng)控制、啟動(dòng)按鈕、后處理各種結(jié)果提取等。

圖6 彎管系統(tǒng)CAE模塊主界面

3.3 彎管虛擬環(huán)境下CAPP工藝設(shè)計(jì)

彎管虛擬環(huán)境下，本系統(tǒng)可以使彎管模型的整體或部件生成二維工程圖，使整個(gè)三維模型具有有效的可讀性，Pro/ENGINEER環(huán)境中三維模型與二維工程圖之間的數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，這樣工程人員可以通過(guò)修改CAD三維模型，直接完成二維工程圖的修改。

還可以根據(jù)分析參數(shù)生成工藝表，選擇滿足彎管力矩需求的機(jī)床設(shè)備，主界面如圖7所示。

圖7 彎管系統(tǒng)CAPP模塊主界面

4 結(jié)語(yǔ)

借助ANSYS、Pro/E的二次開(kāi)發(fā)功能，基于VC++6.0數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將彎管工藝的CAD/CAPP/CAE技術(shù)相集成，該系統(tǒng)用模擬仿真替代了實(shí)際生產(chǎn)中大量的試驗(yàn)，使仿真技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合，有效避免傳統(tǒng)仿真過(guò)程中輸入量大、類型多的缺點(diǎn)，有效地整合了CAD/CAPP/CAE等虛擬仿真功能，可以準(zhǔn)確高效的解決生產(chǎn)中的相關(guān)問(wèn)題。此外，系統(tǒng)預(yù)留了接口，可以使系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。

［1］淡桂春，張曉云，趙志鴻，有德凱·2005年我國(guó)工程塑料加工技術(shù)發(fā)展［J］.工程塑料應(yīng)用，2006(6):62－67.

［2］宋大余，劉穎，葉金文，涂銘旆.稀土磁性塑料注射成型技術(shù)研究［J］.塑料工業(yè)，2005，33(4):23－26.

［3］盧霄.多組分注塑料技術(shù)分析及其CAD/CAE研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2005.

［4］Lai Yinan，Zhang Guanyu，Yu Haonan.Numerical Simulation and optimal design of rotary draw bending pipe［J］.Apllied Mechanics and Materials，2008(10－12):172－176.

［5］Hu Zhong.Researches on bending process to a large radius and thick wall tube by using local Induction heating［J］.China Mechanical Engineering，1998，9(3):19 －22.

A Virtual Plastic Processing Technology for a Kind of Product

NIU Yu-bao，ZHAO Yan-hua，YU Yang-tao

(Department of Aviation Theories，Aviation University of Air force，Changchun 130022，China)

As an advanced technology，plasticity cool bending processing is often practically verified on plastic processing machine.This paper，based on tube plastic processing design，develops a set of CAD/CAPP/CAE tube-bending virtual simulation system，which carries on secondary development by using the mature commercial software under VC++language environment，and writes interface program to realize the data transfer between Pro/E and Ansys software module.The result indicates that the simulation system can implement the tube-bending CAD modeling，CAPP process parameter planning，CAE finite element analysis and structure optimization.

cold tube-bending;CAD/CAE/CAPP;simulation system

TG115.5

A

1009－3907(2012)02－0127－04

2011-11-20

牛余寶(1962-)，男，山東淄博人，副教授，主要從事航空機(jī)械方面的研究。

責(zé)任編輯:吳旭云