旋流器加工变形仿真分析

0引言

飞机环境控制系统的作用是调节飞机机舱内的温度、湿度、压力等条件,为舱内提供适宜的工作环境,这也是机载设备正常工作的必要前提。现代飞机技术高速发展,飞机的用途和类型不断延伸,飞行条件更加苛刻,机载设备功率不断增大,对飞机环境控制系统提出了更高的要求。

现代飞机环境控制系统包含多个子系统,空气循环制冷子系统是当前主流军民用飞机都采用的系统形式。机舱内的空气来源通常是发动机,而发动机输出的空气都是高温高压的,无法直接导入机舱,只有经过空气循环制冷子系统降温降压后才能用于机舱环境调节。

目前的空气循环制冷子系统主要有下述几种形式^[1]:

1)简单式(涡轮—风扇式);

2)两轮升压式除水系统(涡轮—压气机式);

3)三轮升压式除水系统 (涡轮—压气机—风扇式);

4)四轮升压式除水系统 (涡轮—压气机—涡轮—风扇式)。

除简单式外,其余几种形式的空气循环制冷子系统都包含一项关键除湿设备—水分离器,其典型结构如图1所示。水分离器的作用是分离出被引入空气循环制冷子系统的高湿空气中的游离态水或雾气,进而避免系统制冷能力降低和舱内凝水^[2]。

水分离器工作时,气流高速通过具有螺旋形叶片的旋流器,气流发生旋转,借助离心力,气流中的水滴被甩至分离筒壁,通过环状间隙将水导入集水腔后通过排水口排除。旋流器是使气流产生旋转的关键部件^[3],其加工的尺寸精度和表面粗糙度直接影响到水分离器的分水效率及阻力。图2为一种典型的旋流器结构,从使用环境、工作介质、工作压力和工作温度等因素出发考虑,通常选用弹性模量小、屈强比大的铝合金作为制造材料。另外,旋流器表面一般为较复杂的曲面,其叶片较薄且悬臂长度较长,刚度较低,属于典型曲边薄壁零件,切削过程中切削力会使零件产生弹性让刀和加工变形,这就对旋流器的加工提出了更高的要求。

本文针对旋流器零件,将难加工的复杂曲面长悬臂薄壁结构解构为简单曲边薄壁结构,将其作为研究对象,根据不同铣削参数建立切削力加工经验公式,基于Abaqus平台二次开发程序构建铣削加工仿真模型,通过仿真分析,对零件的加工变形进行预测,对比了不同走刀方式的加工变形量。

1试验对象及方法

1.1 试验对象

本文选取简单曲边薄壁结构作为研究对象,结构的三维数模如图3所示,符合旋流器叶片为复杂曲面,叶片较薄且悬臂长度较长,刚度较低的特点。

1.2 试验方法

使用有限元方法对铝合金进行铣削仿真研究,需要对有限元模型加载一定的切削力,这将直接决定仿真过程是否接近实际铣削加工过程。

通过铣削试验能够测得模型所需加载的切削力,试验针对旋流器常用的2A12铝合金材料,选定铣削参数如表1所示,测得在各种参数组合下的切削力值。所选择刀具为加工旋流器常用刀具,具有一定的代表性。

铣削力的方向定义如下:刀具进给方向为Fx,径向切深方向为Fy,刀具轴向方向为Fz。通过表1的试验,获得切削力与切削参数关系如图4~7所示。

通过回归分析得出切削力经验方程如下:

2铣削仿真建模分析

2.1 仿真建模

简单曲边薄壁结构划分网格较为简单,通过“单元生死”技术来模拟材料的去除过程。其中,“死”单元即对模型不提供刚度的单元,“活”单元为具备完全刚度的单元^[4]。

铣削仿真是将铣削过程由连续过程分解为离散 过程,用有限元方法将一个个“活”单元转化为“死”单元,以去除单元的方法模拟刀具去除材料的过程。当然,切削力随着单元“死亡”而消失的同时重新加载在新的“活”单元上,这就保证了切削力始终在保持作用。

2.2 仿真优化

为提高仿真的精度,网格划分需要尽可能细小,这就导致在仿真过程中模拟材料去除过程所需消除的单元数量巨大,“单元生死”的设置及与之相对应的切削力的施加与去除带来了巨大的工作量,这就需要对仿真过程进行优化,以提高效率。本文切削仿真使用Abaqus仿真软件,该软件能够进行二次开发,以编写脚本的方式进行“单元生死”的操作,同时实现切削力的施加与去除。

针对曲边薄壁结构,用数控加工编程软件获得不同走刀方式的刀具轨迹,如图8所示,该轨迹结合已划分好的网格,即可按序筛选出随着切削过程所需去除的网格。本文用脚本将这些网格按照与切削参数相匹配的方式进行批量、自动、循环的“单元生死”操作和切削力加载,极大地节省了仿真时间。

3结果与讨论

针对曲边薄壁结构,用切削仿真的方式开展三种不同的走刀路径的对比试验,分别是阶梯走刀、等深走刀和单侧走刀,如图9所示。

使用“单元生死”技术对曲边薄壁结构进行仿真试验 ,选定切削参数为a_p=2 mm ,a_e=3 mm,fz=0.15 mm/r,n=10000 r/min,加载由铣削力回归方程所得的切削力。仿真加工过程如图10所示,图10左侧图例由上至下代表变形量由大至小。

在不同的仿真试验中,曲边薄壁结构在同一高度会有不同的最大变形量,对比同一高度下的不同变形量,即可对不同走刀路径产生的变形大小进行对比。

图11为曲边薄壁结构在不同走刀方式下不同的加工变形量曲线,可见单侧走刀的变形量最大,阶梯走刀导致的加工变形量最小。这是因为单侧走刀方式为先切除一侧材料,这就导致在切除另一侧材料时,曲边薄壁结构整体刚度下降较多,使得让刀变形显著增大,而阶梯走刀的方式能使曲边薄壁结构始终保持相对较高的刚度,从而减小让刀变形。

通过对比曲边薄壁结构变形量在不同位置的变化,发现三种不同走刀方式的变形量都会随着高度的下降而下降,当刀具切削到曲边薄壁结构底部时,三种不同走刀方式的变形量基本相同。但是,刀具切削点距离曲边薄壁结构底部越远,单侧走刀的变形量与另外两种走刀方式变形量的差值越大。这同样是因为单侧走刀方式为先切除一侧材料,导致在切除另一侧材料时,曲边薄壁结构整体刚度下降较多,使得让刀变形显著增大,而另外两种走刀方式能使曲边薄壁结构刚度随着切削进展逐步下降,从而减小让刀变形。

4 结论

1)为了研究分析曲边薄壁结构的加工变形,使用有限元的方法对典型曲边薄壁结构进行铣削仿真研究。同时,通过“单元生死”技术来模拟材料的去除过程,并使用Abaqus仿真软件进行二次开发,以编写脚本的方式进行“单元生死”的操作,同时实现切削力批量、自动、循环的施加与去除,极大地节省了仿真时间。

2)针对曲边薄壁结构,用切削仿真的方式开展三种不同的走刀路径的对比试验。结果显示,不同走刀方式的变形量都会随着高度的下降而下降,当刀具切削到曲边薄壁结构底部时,三种不同走刀方式的变形量基本相同,总体上阶梯走刀导致的加工变形量最小。

3)通过开展曲边薄壁结构切削加工仿真试验分析,证明在旋流器零件加工时编制数控程序应优先选用阶梯刀轨,以减小让刀和零件变形。本文的研究也为实现旋流器铣削加工变形补偿打下了基础。

[参考文献]

[1] 陈元先.旅客机环境控制系统的发展[J].航空学报,1999(增刊1):7—9.

[2]刘巍,蒋福根.一种测定高压状态下水分离器分水效率的方法[J].大众科技,2006(7):116-117.

[3]宋杰.旋流分离理论在气-液分离器设计中的应用[J].装备制造技术,2013(1):132-134.

[4]汪振华,袁军堂,刘婷婷,等.生死单元法分析薄壁件加工变形[J].哈尔滨理工大学学报,2012,17(6):81-85.

2025年第2期第19篇