BR102014027261A2 - compensação de retorno elástico em peças de lâmina metálica formadas - Google Patents
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Abstract
compensação de retorno elástico em peças de lâmina metálica formadas.trata-se de métodos de elemento para compensar o retorno elástico em peças de a ronave que satisfazem a aparência visual e aerodinâmic complexas que incluem aquelas feitas de fabricada. os métodos podem ser usados estreitas (por exemplo, borda de guia e ripas) curvatura negativa dupla, e não precisam de peças metálica uzir peças e peças de marcas sobre a superfície da lâmina de modo os aspec os visuais não sejam afetados adversamente. a técnica de c mpensação, ponto a ponto usa equações de aproximação constante ajustável para curvas. a(s) constante(s) usada(s) depende (m) da geometria e tipo de formação (por exemplo, estiramento ou prensa hidráulica) . esse pr cesso não limitador exemplificativo não precisa usar opriedades mecânicas do material.
Description
. "COMPENSAÇÃO DE RETORNO ELÁSTICO EM PEÇAS DE LÂMINA METÁLICA FORMADAS" REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[0001] Este pedido reivindica o beneficio do Pedido de Patente provisório sob N£ U.S. 61/903.374, depositado em 12 de novembro de 2013, o qual é incorporado a título de referência.
DECLARAÇÃO REFERENTE A PESÇUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADO PELO GOVERNO
[0002] Nenhuma.
CAMPO
[0003] A tecnologia no presente documento se refere ao cálculo de retorno elástico e compensação das peças de montagem e mais particularmente a superfícies curvadas aplicadas em peças de lâmina metálica. A tecnologia no presente documento se refere adicionalmente a esses cálculos com o uso de técnicas de elementos finitos e interpolação, e à computação desses sistemas e método para realizar esses cálculos a fim de fabricar peças que incluem, sem limitação, peças de aeronave de lâmina metálica.
ANTECEDENTES E SUMÁRIO
[0004] Normalmente, os revestimentos das superfícies externas da aeronave são fabricados por estiramento. A formação de peças de máquina deve com satisfazer com frequência os requisitos aerocinâmicos e aspectos visuais.
[0005] Um grande problema é o retorho elástico nas peças como bordas guia e peças que têm curvatura negativa dupla (por exemplo, com o uso de peças áe trator). . Consulte, por exemplo, Maker et al, A Procedure for Springback Analysis Using LS-DYNA (Livermore Software Technology Corp. 2003), incorporado no presente documento a título de referência.
[0006] Para minimizar os estresses residuais e deformações, as técnicas anteriores dividiram sssas peças em dois pedaços, o que aumentou o peso e cust.o e também afetou ia aparência visual.
[0007] A compensação do retorno elástico foi realizada no passado com o uso de uma máquina de estiramento (formação por estiramento), mas muitas peças são agora fabricadas com o uso de uma prensa de célula hidráulica triform convencional que não fornece necessariamente as mesmas oportunidades para avaliar o retorno: elástico e realizar a compensação de retorno elástico como uma máquina formadora de estiramento. I [0008] 0 uso da compensação c.o retorno elástico em superfícies curvadas (lâmina metálica) com o uso da i técnica de análise de elemento finito minimiza os custos,; os estresses residuais e deformações nas estruturas rebítadas da aeronave.
[0009] A tecnologia no presente documento satisfaz a aparência visual e aerodinâmica de peças complexas que incluem aquelas produzidas a partir de lâmina metálica fabricada.
[0010] As mesmas podem ser usadas para produzir peças estreitas (por exemplo, bordas guia e ripas) e peças; de curvatura negativa dupla, e não precisam deixar marcas sobre a superfície da lâmina de modo que ds aspectos visuais1 não sejam afetados adversamente. . [0011] A técnica de compensação, ponto a ponto usa equações de aproximação com ajustabilidade ce constante para cjrvas. As constantes (coeficientes) usadas podem depender da geometria e tipo de formação (estiramento ou prensa hidráulica). Esse processo não limitador exemplificativo não precisa usar propriedades mecânicas do material.
[0012] A tecnologia no presente documento pode usar ferramenta compensada de qualquer tipo, independentemente do método usado para formar (estiramento ou pressão), processada em temperatura ambiente ou aquecida para ligas de alumínio.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0013] Esses e outros recursos € vantagens serão iaais bem compreendidos e de forma mai s completa referindo-se à seguinte descrição detalhada de modalidades ilustrativas e não limitadoras em conjunção com os desenhos dos quais: [0014] A Figura 1 é uma ilustração de fluxo de processo não limitador exemplificativo para formar uma superfíoie curvada de uma lâmina metálica quando as constantes (coeficientes) do processo de interpolação (equação de interpolação) não são conhecidas. Neste caso, é útil piOduzir a ferramenta e compensar pelo estiramento após as peças de teste serem produzidas;
[0015] A Figura 2 é uma ilustração de um fluxogruma não limitador exemplificativo que ilustra um método de formação de superfície curvada para uma lâmina metálica, quando há um conhecimento anterior cios valores das constantes (coeficientes) das equações de interpolação; - [0016] A Figura 3 é um desenho esquemático de compensação das peças não limitadoras exemplificativas com curvatura negativa dupla, e a Figura 4 mostra um corte transversal da estrutura de curvatura negativa dupla da Figura 3 tomado ao longo da AB. A distância entre as linhas (malha) da Figura 3 depende dos derivados (dz/dx) e (dz/dy), isto é, inversamente proporcional a esses valores. Tipicamente, o tamanho de malha pode variar de 10 mm a 50 mm e pode ter dimensões diferentes dentro da mesma da ferramenta;
[0017] A Figura 5 é uma ilustração de uma representação de topo dos pontos dentro da área de compensação do retorno elástico e a Figura 6 mostra um corte transversal da estrutura exemplificativa da Figura 5 tomado ao longo de AB;
[0018] A Figura 7 é um desenho esqaemático de uma vista de topo da compensação não limitadora para bordas guias e ripas de peça estreita, e a Figura 8 mostra um corte transversal tomado ao longo de AB da estrutura exemplificativa da Figura 7. A distância entre as curvas pode variar de 10 a 100 mm na mesma ferramenta. A distância entre os pontos da mesma curva pode variar de 2 a 20 mm;
[0019] A Figura 9 é um exemplo de uma planilha não limitadora genérica ou matriz de cálculo em um cálculo não limitador exemplificativo;
[0020] A Figura 10 mostra um exemplo da curva negativa dupla;
[0021] A Figura 11 mostra um exemplo das peças estreitas (bordas guia); e [0022] A Figura 12 mostra um dispositivo de computaição não limitador exemplificativo para Implantar a tecnologia no presente documento. DESCRIÇÃO detalhada de modalidades não LIMITADORAS
[0023] De modo geral, o método de elemento finito (FEM) é uma técnica numérica para encontrar soluções aproximadas para problemas de valor limite para equações diferenciais. O mesmo usa métodos variacionais (o cálculo das variações) para minimizar uma função de erro e produz uma solução estável. Análoga à ideia que conecta muitas linhas xetas minúsculas pode aproximar um círcuLo maior, o FEM engloba todos os métodos para conectar muitas equações de elemento simples através de muito subdomínios pequenos, elementos finitos nomeados, para aproximar uma equação complexa através de um domínio maior. Consulte, por exemplo., o artigo na Wikipedia "Finite eleme nt method" (2013) ;e Liu, "The Finite Element Method Seconc! Edition A Practical Course (Elsevier 2013), incorporados ao presente documento a título de referência.
[0024] A compensação de retorno elástico sobre superfícies curvadas (por exemplo, lâmina metálica) com o uso da técnica interativa de elemento finito pode ser usado para minimizar: [0025] a) Custos [0026] b) Estresses Residuais e defsrmações em estruturas rebitadas.
[0027] O retorno elástico em peças de lâmina metálica é, de modo geral: i [0028] a) inversamente proporsional à espessura da lâmina metálica, e . [0029] b) Diretamente proporcional ao ângulo entre a força force e a superfície da folha metálica.
[0030] As peças de lâmina metálica exemplificativas que apresentam retorno elástico signifioativo são peças de curva negativa dupla e superfíeie estreita, como mostrado na Figura 10 (curva negativa dupla) e a Figura 11 (superfície estreita - bordas guia), respectivamente. Na aeronave, essas pelas normalmsnte têm requisitos de aparência visual e aerodinâmica.
[0031] Um processo não limitador exemplificatívo é realizado com o uso de software de Projeto Auxiliado por Computador em 3D Catia V5 disponível pela Dassault Systemes e software de planilha Microsoft Excel, mas outras implantações com o uso do sistema de computarão exemplificativo da Figura 12 também são possíveis.
[0032] A Figura 9 é uma plcnilha não limitadDra genérica gerada por elementos eletrônicos (por exemplo;, o sistema da Figura 12) de dados obtidos pelo softwars de CAD CATIA V5 para um projeto de peça exemplificativo. Por exemplo, a planilha não limitadora pode compreender uma interpolação e calculador de elemento finito 14, que por sua vez pode compreender instruções de softwars armazenadas em memória não transitória 18 e executadas por um sistema de processamento 10. De forma semelhante, a função de CAD em 3D 12 pode ser fornecida por instruções de software armazenadas em memória não transitória 18 e executadas pelo mesmo ou sistema de processamento diferentes 10. 0 sistema de CAD em 3D pode exibir informações em um visor display 16 em resposta à entrada de usuário e/ou entrada de sensores ou outros dispositivos de coleta de dados usados para coletar (medir) informações sobre a configuração e/ou retorno elástico de peças. 0 sistema de processamento 10 pode emitir dados para máquinas de formação por estiramento e/ou fcrmação por pressão como, por exemplo, uma prensa de célula hidráulica triform convencional usada para fabricar peças para teste e finalmente para uso.
[0033] A modalidades exemplificativas no presente documento foram feitas em um esforço para resolver os problemas de retorno elástico que ocorre em determinados tipos de peças de lâmina metálica curvadas, com o uso de técnicas de interpolação e análise de elemento finito.
[0034] O cálculo não limitador exemplificativo não utiliza propriedades mecânicas, mas na posição inicial (x, y, z, <j>) e a posição final (x, y, z") da peça. O processo é mantido constante e as propriedades mecânicas são condensadas nas constantes nas equações de interpolação.
[0035] As variáveis de processo são mantidas estáveis e as propriedades mecânicas são convertidas em constantes (coeficientes) das equações de interpolação.
[0036] Solução Técnica: [0037] Compensação Exemplificativa para curvatura negativa dupla.
[0038] A superfície é dividida err elementos pequenos (com linhas perpendiculares) em referência ao sistema de coordenadas XYZ arbitrário, consulte as Figuras 3 e 4 e Figuras 5 e 6. i [0039] Através da definição neste exemplo não limitador, o eixo geométrico X é aquele ccm a maior curvatura, de modo que os ângulos sejam medidos pela superfície neste eixo geométrico.
[0040] Portanto, as coordenadas iniciais são definidas (χ,γ,ζ,φ) em relação ao ponto (0,0,0) do sistema de coordenada cartesiana arbitrário (XYZ).
[0041] No exemplo mostrado, a compensação é realizada somente dentro da curva, consulte as liguras 5 e 6.
[0042] Em uma implantação não limitadora exemplificativa, a compensação de altura Z é calculada em 4— -y· /-*\ c t* —■» r~« t~i · <— J— ¢3 o J— d o o » Ia Etapa [0043] Primeira em relação ao eixo geométrico X e o ângulo φ pela equação 1: [0044] O cálculo é feito coluna por coluna, conforme mostrado na Figura 3.
[0045] i = 1 para m, após j = 1 para n, de acordo com planilha genérica, Figura 9. (Βθηφ^)3)) (1) [0046] em que: [0047] K0 = constante principal (valor máximo para ser compensado em mm).
[0048] Ki = constante secundária (deslocamento de curva).
[0049] s = curva de suavização.
[0050] A faixa exemplificativa des valores usados na constante (referência): [0051] a 10 mm. - [0052] a 50.
[0053] s = 0,1 a 0,9 2a Etapa [0054] Então, em relação ao eixo geométrico Y conforma a seguir e Figuras 5 e 6: [0055] 0 referencial é alterado para a coluna "X" do maior retorno elástico, nesse caso o meio da ferramenta, consulte as Figuras 5 e 6.
[0056] AZij = valor máximo para ser compensado no segmento de linha yx em mm.
[0057] t = número de intervalos entre os pontos Z' em cada linha xy.
[0058] j= t 2) [0059] j =1 [0060] Para j = (0, 1, 2....t~i, t).
[0061] O cálculo de Z" é feito para a direita e a esqnerda do referencial, consulte as Figuras 5 e 6. 3a Etapa [0062] Pontos com dz / dx = 0 derivado [0063] Os pontos máximos (dz / dx = 0) que não são compensados deverão ser os pontos de limite.
[0064] Os pontos de coordenadas 'X' (dz / dx = 0) geraLmente não correspondem às coordenadas da grade XY.
[0065] Os pontos mínimos (dz / dx = 0), são compens ados de acordo com a etapa 2.
[0066] Uma vez que a "nuvem" dos pontos Z" é derivada, o sistema da Figura 12 gera o "sólido compensado" e dadcs que definem a ferramenta de usanagem. Na implantação não limitadora exemplificativa, o processo é . iterativo até que o sistema de linha desejada e a resolução é obtida.
[0067] A compensação exemplificativa das superfícies estreitas: bordas guia e ripa.
[0068] A superfície é dividida nas linhas que dependem das distâncias derivadas (dz/dy) e a distância "X" (variável) dependem dos derivados (dz/dx). O ângulo φ é definido na direção "x" medida a partir da superfície.
[0069] Z' é determinada pela equação abaixo: [0070] 0 cálculo é feito coluna por coluna, conforme mostrado nas Figuras 7 e 8.
[0071] i = 1 a m, após j = 1 para n, de acordo com a planilha genérica, Figura 9. s (εβηφ ij)s) (3) [0072] em que: [0073] Kq = valor máximo para ser| compensado em mm.
[0074] s = curva de suavização.
[0075] A faixa exemplificativa das valores usados na constante (referência): [0076] ko = 1 a 20 mm.
[0077] s - 10 a 50 [007 8] Uma vez que a "nuvem" dos points Z' é derivada, o sistema não limitador exemplificativa da Figura 12 gera o "sólido compensado" e parâmetros c.e máquina-ferramenta para fabricar uma peça de teste. O pracesso pode ser iterativo até que o sistema de linha desejada seja obtido.
DESCRIÇÃO DE FLUXOGRAMA NÃO LIMITADOR EXEMPLIFICATIVO
[0079] Figura 1 - Ferramenta e peças são disponíveis.
[0080] a) Através do projeto da ferramenta em CATIA V5 e referência predeterminada de coordenada (xo, yo, z0) , a malha sobre a superfície da ferramenta é gerada (102). : O tamanho de malha pode variar dependendo da superfície da ferramenta. Também é gerado o ângulo, ponto a ponto com referência ao plano base da ferramenta. Após isso os dados podem ser exportados para o Excel ou outro software através de um macro da Catia V5.
[0081] b) As equações de cálculo (104) dependem do tipo de geometria (superfícies de; curvatura negativa dupla ou superfícies estreitas, por exenplo).
[0082] Em uma implantação exemplificativa, o coeficiente primário é determinado medindo-se o vão entre a ferramenta e a peça (no ponto de maior deflexão) , com uma precisão de 0,1 mm com o uso de um paquímetro ou calibre de folga. Esses parâmetros medidos podem ser inseridos manualmente ao sistema 10, ou o paquímetro ou dispositivo de calibre de folga pode medir automaticamente o vão entre a ferramenta e peça no ponto de maior deflexão e fornecem um sinal que é fornecido automaticamente ao sistsma 10.
[0083] Os outros coeficientes são de ajuste fino das curvas.
[0084] Quando o cálculo do sistema de superfície negativa dupla 10 pode usar a Equação 1, após a Equação 2, conforme mostrado nas Figuras 3 e 4.
[0085] Quando se calcula o sistema de superfície estreita 10 usa a equação 3, conforme mostrado na Figura 5 e 6.
[0086] c) reconfiguração de sólido [0087] Após determinar todos os pontos novos, o sistema 10 reconstrói o sólido novamente e:n Catia V5 (bloco 106).
[0088] d) Usinagem de ferramenta [0089] Após a geração do novo sólido, o sistema 10 emite parâmetros usados para definir a usinagem da peça (bloco 108).
[0090] e) produz a nova peça [0091] produz (fabrica) a nova peça para testar, a fabricação que é baseada nos novos dados de sólido (bloco 110).
[0092] f) inspeção (bloco 112) [0093] se a peça não estiver boa, repetir o procedimento com os dados mais refinados (bloco 114).
[0094] Se a peça for boa, arquivar os dados na base de dados (bloco 116).
[0095] A Figura 2 - Um fluxograma exemplificativo de um processo em que o projeto de peça está disponível e os coeficientes da equação de interpolação são conhecidos.
[0096] Quando uma base de dados com peças semelhantes e processo definido já está disponível, é possível estimar as constantes da interpolação.
[0097] As etapas de cálculo são as mesmas que na Figura 1 e consulte as etapas de cálcolo acima. Entretanto, neste processo exemplificativo, o 1 loco 114 é substituído pelo uso das fontes de dados (coeficientes) das peças conformadas, dependendo da espessura e geometria das peças (bloco 118).
[0098] Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com o que é atualmente considerada a modalidade mais preferência e prática, deve ser compreendido que a invenção não deve ser limitada à modalidade revelada, pelo contrário, se destina a englobar todas as várias modificações e disposições equivalentes incluídos dentro do espírito e escopo das reivindicações anexas.
REIVINDICAÇÕES
Claims (18)
1. Método para fabricar uma peça caracterizado por compreender: discretizar uma superfície de ferramenta com o uso de uma análise de elemento finito; calcular novas posições ponto a ponte com o uso de equações de interpolação; reconfigurar um sólido com base nas novas posições calculadas; usinar com o uso do sólido reconf iefurado para produzir uma nova peça; inspecionar a peça para determine r se uma superfície curvada alvo é obtida; e se a superfície curvada alvo não íor obtida, iterar as etapas acima.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que a discretização é caracterizada por aplicar um primeiro coeficiente indicativo de um valor de distância aáxima para ser compensado por retorno elástico e i.m segundo coeficiente indicativo de deslocamento de curva.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela iteração incluir a deterninação de coeficientes primários e secundários na peça inspecionada.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela interação compreender o uso de coeficientes com base nas fontes de dados das peças conformadas, dependendo da espessura e geometria da peça inspecionada.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir o fornecimento de compensação do retorno elástico nas superfícies curvadas com o uso da análise de elemento finito para minimizar o custo, reduzir estresses residuais e deformações em estruturas rebitadas de uma aeronave.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir o uso de equações de aproximação com ccnstantes ajustáveis para curvas dependendo da geometria da peça e tipo de formação usada para asinagem.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por não incluir o uso de propriedades mecânicas da peça.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela produção incluir o esticamento ou pressão.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por incluir adicionalmente o processamento da peça em temperatura ambiente ou aquecimento da peça para peças e:n liga.
10. Sistema para fabricar uma peça caracterizado por compreender: um sistema de processamento que inclui pelo menos um processador que discretiza uma superfície de ferramenta com o uso de uma análise de elemento finito, caLcula novas posições ponto a ponto com o uso de equações de interpoLação, e reconfigura um sólido com base em novas posições calculadas; e uma máquina que usa dados relacionados ao sólido reconfigurado para produzir uma nova peça; o sistema de processamento que aceita parâmetros relacionados à nova peça para determinar se uma superfície curvada alvo é obtida, e se a superfície curvada alvo não for obtida, iterar a discretização de uma superfície de ferramenta com o uso de uma análise de elemento finito, calcular novas posições ponto a ponto com o uso de equações de interpolação, e reconfigurar um sólido com base em novas posições calculadas.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito sistema de processamento ser configurado para discretizar aplicando-se um primeiro coeficiente indicativo de um valor de distância náxima para ser compensado por retorno elástico e um segundo coeficiente indicativo do deslocamento de curva.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela iteração de sistema de processamento incluir a determinação dos coeficientes primários e secundários na peça inspecionada.
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela iteração de sistema de processamento compreender o uso de coeficientes com base nas fontes de dados de peças conformadas, dependendo da espessura e geometria da peça inspecionada.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito sistema de processamento ser configurado para fornecer compensação do retorno elástico em superfícies curvadas com o uso da análise de elemento finito para minimizar o custo, reduzir estresses residuais e deformações em estruturas rebitadas de uma aeranave.
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito sistema de processamento ser configurado adicionalmente para usar equações de aproximação com constantes ajustáveis para curvas dependendo da geometria da peça e tipo de formação usada para usinagem.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito sistema de processament.o não usar propriedades mecânicas da peça.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela máquina compreender urra máquina formadora de estiramento ou uma máquina de pressão.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pela máquina fabricar a peça em temperatura ambiente ou aquecer a peça para peças em liga.
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