CN112163361A - 一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，首先，根据零件实际加工工况，利用Python语言编写仿真前处理自动设置脚本程序；其次，对工件进行三维建模，根据实际工况设计刀轨，并导出刀轨文件，把刀轨离散为若干个刀位点，确定加工区域和需要细化的区域；然后，提取需要细化区域的粗网格信息，计算得到局部细化后的网格信息，并将原始输入文件的粗网格信息进行替换，在后一步计算前完成前一步计算结果的承接；最后，提交新输入文件进行计算。如果计算结束，则停止细化；若计算未结束，则继续遍历前一步的结果文件，完成下一步的局部网格细化工作，直至计算结束。本发明能够准确和高效地预测大型薄壁零件加工过程的物理量分布情况。

Description

一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，特别是将“生死”单元技术与网格动态细化技术相结合的有限元仿真方法。

背景技术

航空发动机是飞机的心脏，机匣是航空发动机的关键部件。为了获得优异的使用性能，往往对机匣的加工工艺要求极高。目前，大型薄壁机匣零件加工的特点主要包括这几个方面：整体性强、轻量化、强度要求高、材料去除量大、加工易变形和加工效率低等，属于典型的难加工零件。

针对上述薄壁机匣零件加工的特点和存在的问题，采用有限元仿真技术开展相关研究成为了热门课题，有限元软件可以利用显示动力学和隐式静力学的方法对零件进行切削加工过程模拟，计算出加工过程的切削力、切削温度、应力应变分布以及零件的变形量等。目前，在有限元仿真分析中，往往会对重点承载区域进行局部网格细化，而其他不重要的区域进行网格粗化，从而实现一定程度上计算效率的提高；或者采用自适应网格重划分技术解决网格畸变导致的计算难以收敛的问题。例如，Alain Rassineux[1]针对二维金属切削和断裂仿真中的网格自适应技术进行了大量研究，在二维三角形网格自适应技术方面研究成果丰富；Martin

[2]在二维金属切削仿真中成功将局部二维四边形网格动态细化技术进行了应用；浙江大学的毕云波等[3]针对航空整体薄壁结构件采用“生死”单元技术对零件加工变形进行了仿真预测；Fangtao Yang[4]在针对裂纹扩展仿真中的三维网格自适应技术进行了深入研究并且取得了一定的研究成果；清华大学的吴浩[5]深入研究了有限元后验误差理论，以Marc程序作为计算工具，将自适应有限元用于大坝有限元应力取值的研究；山东大学的赵国群等[6]长期致力于网格自适应生成技术的研究，并且已经开发出国产的自适应网格划分软件。综上，通过国内外学者的研究发现，现如今二维三角形网格自适应划分技术已经较为成熟，相应的网格划分软件也有相应开发，但是网格划分软件的开发只能完成前处理中对初始零件的网格进行单次划分，与有限元仿真软件的集成方面有所欠缺，而在三维网格动态自适应技术研究中，主要还集中于等材塑性变形和裂纹扩展时的局部网格细化，针对大材料去除量仿真中“生死”单元技术与网格自适应相结合的研究和应用存在明显不足。

针对大尺寸、复杂整体结构件，往往网格数量众多，造成计算成本极大，有限元仿真的效率因此会受到很大的影响；采用质量缩放技术能够解决计算效率低的问题，却避免不了计算结果准确性差的问题；此外，利用隐式静力分析时，“生死”单元的选择以及切削力的加载都过于依赖人工手动选取，工作量很大。综上，目前仿真中存在仿真模型尺寸过大、结构复杂以及计算效率低、成本高的问题。因此，有必要建立一种高效、低成本的计算方法来改善该类大型薄壁零件加工过程仿真困难的局面。

发明内容

为了解决大型薄壁类零件加工过程仿真难、仿真慢的问题，本发明的目的是提供一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，基于ABAQUS仿真软件和Python语言开展局部网格动态细化研究，并结合“生死”单元技术，旨在实现在随着材料的动态去除过程中，同步完成对去除部分的网格进行动态的局部细化。这样不仅能够在很大程度上减少零件划分网格的总数，减少计算量，而且能够实现仿真前处理的自动化设置，从而在能够保证计算准确性的前提下，达到提高仿真计算效率的目标，能够为实际生产和零件加工质量的提高提供有效保障和技术支持。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法包括以下步骤：

本发明公开了一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，首先，根据零件实际加工工况，利用Python语言编写仿真前处理自动设置脚本程序，包括：建模、材料参数、接触条件、边界条件、生死单元设置以及初始网格划分；其次，利用三维建模软件建立工件模型，根据实际工况设计刀轨，并导出刀轨文件(.cls格式)，把刀轨离散为若干个刀位点，确定加工区域和需要细化的区域；然后，提取需要细化区域的粗网格信息，进行计算得到局部细化后的网格信息，并将原始输入文件(.inp格式)的粗网格信息进行相应替换，且需要在后一步计算前完成前一步计算结果的承接，即新旧物理场的传递；最后，提交新输入文件(.inp格式)进行计算。如果计算结束，则停止细化；若计算未结束，则继续遍历前一步的结果文件(.odb格式)，完成下一步的局部网格细化工作，直至计算结束。本发明能够准确和高效地预测大型薄壁零件加工过程的物理量分布情况，解决大型薄壁零件仿真难、仿真慢的问题。

具体步骤如下：

(1)利用Python语言编写仿真分析前处理脚本程序，实现对所述的有限元分析模型自动设置材料参数、接触条件、边界条件、“生死”单元选取、加载以及初始网格划分；

(2)根据实际工况建立零件的加工过程三维有限元分析模型；

(3)调取零件的刀具轨迹信息，离散刀轨为若干刀位点并进行刀具扫描体建模；

(4)根据刀具轨迹以及刀具形状确定加工区域，即确定需要进行局部网格动态细化处理的区域；

(5)利用Python编写脚本程序，提取步骤(2)中初始网格中需要细化的粗网格信息，并计算得到局部细化后的网格信息(单元编号和结点编号)，网格信息计算方法如下。

以一个粗网格被细化为27个细网格为例，如图7所示。A、B、C分别为工件原始粗网格单元的行(x)、列(y)、排(z)数，单元总数为A×B×C；a、b、c为细化区域单元的行(x)、列(y)、排(z)的数量，单元总数为a×b×c：

单元编号规则：

细化后单元的编号紧接原粗网格单元编号的最大值，原粗网格单元数为A×B×C个，即细化后网格的单元编号起始值为A×B×C+1，具体的编号顺序为：

1)按照图7中的1-27号小单元，由小到大。完成一个粗网格所有小单元的编号。

2)对所在同一行的下一列单元进行依次细化编号。依次完成每一行所有单元的编号。

细化顺序示意如图8，按照编号1-6的顺序依次进行。

结点编号规则：

由于不同单元之间有公用的结点，结点的编号规则相较于单元有所不同。原始粗网格的结点数为(A+1)×(B+1)×(C+1)，即细化后网格的单元编号起始值为(A+1)×(B+1)×(C+1)+1。

具体编号顺序为：

1)对细化区域所有的粗网格(参考图7)内部22，23，26，27，38，39，42，43八个结点进行编号。

2)对细化区域所有粗网格xy平面内部的结点(6,7,10,11,54,55,58,59)进行编号。

3)对细化区域所有粗网格xz平面内部的结点(21,25,37,41,24,28,40,44)进行编号。

4)对细化区域所有粗网格yz平面内部的结点(18,19,34,35,30,31,46,47)进行编号。

5)对细化区域所有粗网格x方向边上的结点(5,9,8,12,53,57,56,60)进行编号。

6)对细化区域所有粗网格y方向边上的结点(2,3,14,15,50,51,62,63)进行编号。

7)对细化区域所有粗网格域z方向边上的结点(17,33,29,45,20,36,32,48)进行编号。

其中每一步对粗网格进行细化的顺序按照粗网格细化顺序示意图中编号1-6的顺序依的顺序进行。

然后，将原始输入文件(.inp格式)中的粗网格信息进行相应替换，并定义新的“生死”单元，重新完成加载；

(6)利用Python编写脚本程序，实现新旧网格之间物理场传递，形成全新的.inp文件；

(7)提交新的输入文件(.inp格式)进行计算；

(8)判断计算是否结束，如果没有结束则继续遍历结果文件(.odb格式)，重复步骤(4)～(7)的操作，直至计算结束。期间，利用Python编程实现判断计算结束与否，以及每一步分析的自动连接，形成完整的且全自动的分析计算，避免大量重复性的手动设置工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，与以往的传统仿真相比，能够将高负荷的材料去除仿真过程简化为“生死”单元与局部网格动态细化相结合的形式，相比于全局细化，采用本发明的局部网格动态细化后的计算效率能提高接近2倍以上，本发明所述的加工过程仿真局部网格动态细化方法能够准确、高效且简便的对同类型的大型薄壁零件加工过程进行模拟和分析预测，能够为实际工艺的选择以及优化提供技术和理论支撑，避免大量的仿真计算成本和试验中人力、物力成本的耗费。

而且，薄壁机匣加工过程仿真前处理设置、局部网格动态细化、每一次网格细化前后的承接以及每一次细化后的新的任务之间接力计算都是利用Python语言进行编程，完全实现了加工过程仿真的全自动化。

附图说明

图1为本发明的一种薄壁机匣加工过程仿真网格局部动态细化方法的流程图；

图2为本发明的机匣局部网格细化前的初始网格划分图和全局细化后的网格划分图；

图3为本发明的一种薄壁机匣加工过程仿真某一分析步的局部网格细化图；

图4为本发明的一种薄壁机匣加工过程仿真某一分析步局部网格动态细化后的结果云图；

图5为本发明的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化以及承接上一步物理场图；

图6为本发明的一种薄壁机匣加工过程仿真最终加工变形图；

图7是单个网格细化示意图；

图8是粗网格细化顺序示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加容易被理解，下面结合本申请的附图，对本发明的内容进行详细完整的介绍。以下的描述仅是示例性的，并非对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应该属于本申请保护的范围。

本发明提供一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，基于ABAQUS有限元分析软件，结合“生死”单元技术和局部网格动态细化技术完成大型薄壁类机匣零件的材料去除过程，为零件加工过程中的变形以及残余应力的预测提供一种高效精确的数值模拟方法。如图1所示为本发明的程序流程图。所述材料去除过程是通过编写Python脚本程序对局部网格动态细化并结合“生死”单元的自动设置来动态实现材料的层层去除。

(1)在确定零件实际工况的基础上，利用Python语言编写仿真前处理自动设置程序，包括：三维建模、材料参数设置、接触条件设置、边界条件设置、“生死”单元设置以及初始网格划分；

(2)对工件进行三维建模；

(3)设计刀具轨迹并导出刀轨文件(.cls格式)，并对刀轨进行离散化为若干刀位点，确定加工区域以及需要进行网格细化的区域；

(4)根据刀具信息以及刀位信息，提取步骤(1)中初始网格中需要细化的粗网格信息，进行计算得到局部细化后的网格信息(单元编号和结点编号)，并将原始输入文件(.inp格式)中的网格信息进行替换，并定义新的“生死”单元；

(5)新旧物理场的传递，需要完成前一步的计算结果在后一步计算前的承接。自此，形成全新的输入文件(.inp格式)；

(6)提交新的输入文件(.inp格式)进行计算；

(7)待前一步计算结束后，继续遍历结果文件(.odb格式)，重复步骤(3)～(6)完成下一步的网格细化，直至计算结束。

实施例1

本实施例选用的零件是某种典型锥形机匣，其大端内径是330mm，外径是350mm，其小端内径是270mm，外径是290mm，壁厚10mm，加工余量是8mm。

参照图1所示，一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、确定薄壁机匣实际加工工况，包括：零件尺寸形状、切削方式、走刀路径、装夹方式、切削力的大小、材料参数和边界条件等；

步骤二、建立符合实际工况的薄壁机匣加工过程的三维有限元仿真分析模型，基于有限元软件ABAQUS的脚本程序语言Python对仿真的前处理进行自动设置编程，包括：材料参数、接触条件、边界条件、“生死”单元选取、加载以及初始网格划分，如图2所示，为本发明所述机匣零件的局部网格细化前的初始网格图和全局细化后的网格图；

步骤三、从三维建模软件中输出机匣零件的刀具轨迹.cls文件，对刀轨进行离散，并对刀具扫描体进行建模，从而结合刀轨与刀具几何形状确定加工区域，即后续需要进行局部网格细化处理的区域，如图3所示为其中一个分析步对应的局部网格动态细化图；

步骤四、利用Python编写脚本程序，提取步骤二中的初始粗网格信息，根据需要细化的区域，对该部分的网格单元编号和结点编号进行计算，并对输入文件(.inp格式)中相应的粗网格信息进行替换，重新将细化后的网格进行加载和“生死”单元设置，如图4所示为基于局部网格动态细化和“生死”单元设置后的计算结果；

步骤五、网格细化后，需要承接上一步计算的物理场，同样可以采用预定义场的方法，结合Python编写的脚本程序实现新旧网格之间的物理场传递，自此，形成全新的可供后续计算的输入文件(.inp格式)，如图5所示为后一步细化后承接上一步物理场的结果云图；

步骤六、提交步骤五形成的全新的输入文件(.inp格式)进行提交计算；

步骤七、设置判断语句，判断计算是否结束。如果没有计算则继续遍历前一步计算结果文件(.odb格式)，提取网格信息进行细化计算以及新旧网格之间的物理场传递，然后重复步骤四～六的操作，直至计算结束。最终的Python脚本程序是可以全部集合步骤一至步骤七所有的操作，有效避免过于频繁和复杂的人为操作。如图6为所述机匣最终仿真的变形预测结果图。

上述为本发明具体实施例，为了突出本发明的优势，特意将本发明的局部网格动态细化技术与传统的全局网格细化仿真进行了仿真效率的对比。如图2所示，其中，本发明的局部网格动态细化方法可以控制每一计算分析步的网格数为89484个，其中粗网格尺寸为长×宽×高：3.5mm×4mm×0.5mm，细网格尺寸为长×宽×高：1.2mm×1.4mm×0.15mm；而全局细化后的网格数为691200个，网格尺寸为长×宽×高：1.2mm×1.4mm×0.15mm。在计算效率方面，利用全局细化后的模型，计算完成所需时间约为240小时，而采用本发明所述方法，相同条件下，网格总数减少了约7.7倍，计算完成所需时长约为96小时，运算效率相对提高了2.5倍。因此，应用本发明所述的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化的实现方法，可以大幅提高仿真计算的效率，大大节约了计算成本。

上述仅为本发明的主要特征、工作原理和优点等，对于本领域的技术人员来说，本发明并不受上述实施例的限制，在不违背其基本原理的前提下，针对不同的实施例本发明可以进行灵活的更改和变化，这些更改和变化如在本发明的精神和范围之内，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在确定零件实际工况的基础上，利用Python语言编写仿真前处理自动设置程序，包括：三维建模、材料参数设置、接触条件设置、边界条件设置、“生死”单元设置以及初始网格划分；

（2）对工件进行三维建模；

（3）根据实际工况设计刀轨轨迹并导出刀轨文件，对刀轨进行离散化为若干刀位点，确定加工区域以及需要进行网格细化的区域；

（4）根据刀具信息以及刀位信息，提取步骤（1）中初始网格中需要细化的粗网格信息，进行计算得到局部细化后的网格信息，并将原始输入文件中的网格信息进行替换，并定义新的“生死”单元；

（5）新旧物理场的传递，需要完成前一步的计算结果在后一步计算前的承接，

自此，形成全新的输入文件；

（6）提交新的输入文件进行计算；

（7）待前一步计算结束后，继续遍历结果文件，重复步骤（3）~（6）完成下一步的网格细化，直至计算结束。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化方法，其特征在于，步骤（3）中，根据ABAQUS的网格单元编号以及结点编号原则进行三维六面体粗网格细化，网格可根据所述的刀具轨迹进行局部动态细化。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化方法，其特征在于，所述的加工过程，即材料去除过程，是通过编写Python脚本程序对局部网格动态细化并结合“生死”单元的自动设置来动态实现材料的层层去除。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化方法，其特征在于，所述步骤（4）中，提取初始网格中需要细化的粗网格信息，是将实际刀具轨迹离散为若干个刀位点，并根据刀具扫描体建模后确定。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化方法，其特征在于，所述步骤（4）中计算得到局部细化后的网格信息包括：单元编号和结点编号是遵循三维六面体网格以及ABAQUS本身的单元和结点编号规则而制定，单元和结点的编号均是按照先计算中心单元，后边缘单元的方式进行。

6.根据权利要求2所述的一种薄壁机匣加工过程仿真局部网格动态细化方法，其特征在于，单元编号和结点编号原则如下：

A、B、C分别为工件原始粗网格单元的行（x）、列（y）、排（z）数，单元总数为A×B×C；a、b、 c为细化区域单元的行（x）、列（y）、排（z）的数量，单元总数为a×b×c：

单元编号规则：

细化后单元的编号紧接原粗网格单元编号的最大值，原粗网格单元数为A×B×C个，即细化后网格的单元编号起始值为A×B×C+1，由小到大；

完成一个粗网格所有小单元的编号;对所在同一行的下一列单元进行依次细化编号；

依次完成每一行所有单元的编号；

结点编号规则：

由于不同单元之间有公用的结点，结点的编号规则相较于单元有所不同；

原始粗网格的结点数为(A+1)×(B+1)×(C+1)，即细化后网格的单元编号起始值为(A+1)×(B+1)×(C+1)+1；

具体编号顺序为：

1) 对细化区域所有的粗网格内部结点进行编号;

2) 对细化区域所有粗网格 xy平面内部的结点进行编号;

3) 对细化区域所有粗网格 xz平面内部的结点进行编号;

4) 对细化区域所有粗网格 yz平面内部的结点进行编号;

5) 对细化区域所有粗网格x方向边上的结点进行编号;

6) 对细化区域所有粗网格y方向边上的结点进行编号;

7) 对细化区域所有粗网格域z方向边上的结点进行编号。

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