航空钣金模具设计研究

摘要：采用有限元分析算法来设计钣金模具，重点解决凸凹模问题，较好解决拉深中的断裂和起皱，具有较高的应用价值。

关键词：钣金模具；有限元；设计

在航空制造领域，钣金零部件应用非常广泛。钣金零部件一般包括蒙皮类、梁类、框肋类和壁板类等几大类。钣金零部件是飞机整机结构中最重要和最关键的零部件，大约占飞机所有零部件总数的50%以上。在航空制造过程中，钣金零部件由于具有质量好和成本低的优点，应用比例越来越高。由于航空制造业的特殊性，钣金零部件体积一般都非常大，形状多以自由曲面等复杂形状居多，导致设计及数控加工的难度倍增，这也一定程度决定了钣金模具的设计周期非常长和设计难度非常大。如何提高钣金模具的设计质量和降低设计工作的劳动强度，同时提高设计效率，是摆在钣金模具设计工程师面前的一大难题。在飞机钣金模具设计中，具有钣金零部件种类繁多并且形状复杂的特点，一般生产批量非常小和批次多，且随着现代航空技术的发展，飞机钣金零部件自由曲面和形状不规则的所占比例越来越高，这就导致了钣金模具设计工程师工作任务非常重。目前的钣金模具设计技术与达到实用化水平还有很大差距[1]，钣金模具设计的很多瓶颈问题还未攻克。

1有限元分析简介

有限元分析最初是应用于航空器的结构强度计算的[2]，随着计算机技术的高速发展，有限元分析算法由于其效率高的优点几乎应用于所有的科学和工程计算领域，是当今工程界应用最为广泛的数值分析算法，它具有比较好的通用性和有效性，在机械设计领域也应用十分广泛。有限元分析是基于变分原理的一种求解数学物理问题的数值计算方法，采用的基本数学思想是将连续的求解域离散成为一组有限单元的组合体，这些组合体能无限逼近求解域，找到最优解。有限元分析的计算步骤分为3步：1）预处理。根据具体的工程问题要定义求解模型，一般包括这些方面：定义几何区域、定义单元类型、定义单元的材料属性、定义单元的几何属性、定义单元的连通性、定义单元的基函数、定义边界条件、定义载荷。2）求解过程。求解的原理是采用加权残值和泛函极值等两种方法，利用数值离散技术，将单元封装到整个离散域的总矩阵方程中，封装是在相邻的单元节点完成的，状态变量及导数的连续性是建立在上面的节点处，总矩阵方程的求解可以用直接法和迭代法两种，求解结果是单元节点处状态变量的无限近似值。3）求解值的评价。要对所有的解依据科学的准则进行分析和评价，对所有解进行分析和评价是为了后面工程设计中更好地应用这些结果。

2钣金模具快速设计系统

航空钣金模具数学建模的思想是先根据钣金零部件的几何属性来确定型面曲面[3]，然后再根据曲面分割参数化后的实体模型（实体模型是根据钣金零部件的曲面轮廓进行参数化变换来的）导出模具的模体。钣金零部件在拉深时，尤其是球型类的零部件，毛坯会有塑性变形发生，当最开始拉深时自由表面会非常大，这个自由表面会随着凸模的下降自动减小，在变形过程中受到的应力也会不断地变化，毛坯中的径向力为拉应力，而周边的周向应力则会在凹模圆角附近变为压应力，毛坯中心则从法兰部分到毛坯的中心由压应力不断地转化为拉应力。由于受到的应力不断地变化，而且这些应力的变化是非线性的，这些应力的变化数学理论支撑较少，大多依靠航空制造企业的机械工程师的经验判断，这就导致了钣金零部件在变形过程中容易发生破裂和起皱，严重影响到飞机钣金零部件的机械加工质量，大幅降低了生产效率，航空制造企业的市场竞争力也随之弱化。在本文分析的钣金模具快速设计系统中，首先要对设计中重要的几个参数进行研究，毛坯料的直径和拉深系数的计算、压力中心线的基准平面的计算以及异形拉深件成形的关键参数研究。在异形拉深件的成形过程中，主要研究的参数包括毛坯尺寸、凸凹模圆角、拉深高度和压边力等几个关键参数。异形件以及数量众多的复杂曲面钣金零部件一般由很多曲面组成，形状复杂，数学建模困难，毛坯尺寸的计算用人工方式就已经非常困难了，而且费时费力，效率非常低下，而利用有限元分析方法就非常方便高效，有限元分析能够对复杂的薄壁类钣金件的曲面进行展开，这样就能通过反向计算来计算毛坯的尺寸。而对于凸凹模圆角，由于不同的金属材料抗拉强度高低不同，对于抗拉强度较低的金属材料，过小的凹模圆角就会非常容易把毛坯材料拉裂，而凸模和毛坯材料如果接触部分太小的话，则会非常容易起皱，所以要适当地增加凸模的圆角半径就可以大幅降低起皱的概率和减轻起皱的程度。圆角半径的选择必须科学，过大或者过小都将会出现问题，要么拉裂要么起皱，会严重制约钣金零部件模具设计生产的效率。异形拉深件在拉深成形过程中，都会伴随着材料变薄的过程，所以压边力对成形过程至关重要，要在尽量保证钣金零部件满足质量要求的前提下尽可能地减小压边力，设计出合理的适当小的压边力能够防止材料变薄的严重程度，减小材料破裂的风险，提高产品合格率。有限元模型的建立过程：异形钣金件一般毛坯的尺寸都非常大，为了保证有限元分析的计算精度，对于网格的划分要尽可能地密集，这样就会消耗非常多的计算资源，同样也会导致计算时间的大幅增加，所以为了提高工作效率，在保证模拟计算质量的前提下，对毛坯只建立部分的模型，这样可以大幅提高计算效率。通常情况下，异形拉深钣金件在机械加工中容易底部破裂导致钣金零部件的产品合格率偏低，机械加工质量不高，效率低下，大幅增加机械加工的成本。由于钣金零部件在成形过程中通常会有较大的形变，模拟结果的准确性与网格质量好坏直接相关，所以在每个小单元的计算上采用缩减线性积分的算法。根据经验，变形剧烈的区域通常要划分较多的网格，一般情况下在凹模圆角处毛坯的网格要多于3个，变形程度不严重的区域可以划分较少的网格。通过以上分析，异形钣金零部件在冲压成形模拟分析中，对于凸凹模的设计加工非常重要，实验过程中，要去除毛坯件的边缘毛刺，避免成形过程中发生应力太过集中导致的破裂，摩擦的影响对异形钣金零部件也是非常重要的，可以采用润滑剂涂在毛坯件的边缘和在表面覆盖润滑薄膜来保证摩擦力的分布均匀。

3结语

本文利用有限元分析数学工具，来解决钣金模具设计问题，通过实验分析，本文方法具有较高的可靠性和高效率，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]王大斌，朱文华，魏丕光.基于知识工程的参数化设计应用研究[J].机械设计与制造，2010（9）：42-44.

[2]刘光伟，万世明，何万飞，等.论航空钣金模具数字化设计制造技术的发展[J].航空制造技术，2009（20）：42-47.

[3]吉晶晶，廖文和，郭宇，等.飞机钣金特征自动化建模技术研究[J].中国制造业信息化，2012（11）：47-49；52.

作者:刘金时 单位:沈阳飞机工业（集团）有限公司