不同裝夾方式下航空整體結(jié)構(gòu)件的模態(tài)研究

姜匯洋

摘要：航空整體結(jié)構(gòu)件因具有質(zhì)量小、效率和性能可靠的特點被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，同時整體結(jié)構(gòu)件通常為薄壁結(jié)構(gòu)，因其尺寸較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜而導(dǎo)致加工周期較長，又因其薄壁結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生加工變形而導(dǎo)致加工精度難以達(dá)到技術(shù)要求。文章分析了影響整體結(jié)構(gòu)件變形的主要因素，對不同裝夾方式下航空整體結(jié)構(gòu)件的模態(tài)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：航空整體結(jié)構(gòu)件；固有頻率；最大相對位移；裝夾方式；航空航天 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG333 文章編號：1009-2374（2016）26-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.009

1 航空整體結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)研究

1.1 航空整體結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工技術(shù)研究

航空整體結(jié)構(gòu)件的加工存在著很多難以控制的因素，例如加工變形、加工周期長等，這是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、壁薄等原因引起的。為了避免以上原因，在高速加工的切削過程中，將產(chǎn)生的多數(shù)熱量通過切削帶走，因為小的切削力可以降低薄壁的機械變形，這一技術(shù)廣泛使用在整體結(jié)構(gòu)件的加工中。航空整體結(jié)構(gòu)件的高速加工對以下三方面提出的要求：

1.1.1 刀具材料。高速切削刀具材料要達(dá)到在高溫過程中的力學(xué)、抗粘結(jié)、化學(xué)穩(wěn)定性（包括氧化性、擴散性、溶解度等）、熱物理及抗熱震等一系列性能需求。

1.1.2 走刀與工藝。加工時，通過順銑方式加工，達(dá)到減少產(chǎn)生的熱量，同時減小徑向力。整體結(jié)構(gòu)件加工方式為分層切削，小軸向、大徑向切深。而薄壁結(jié)構(gòu)件的腹板加工則是最后一刀采用大的軸向切深，達(dá)到提升加工系統(tǒng)剛度的同時，減小腹板變形。

1.1.3 裝夾方式。由于結(jié)構(gòu)件主要是表面有多個槽腔和孔結(jié)合而成的雙面結(jié)構(gòu)件，不易裝夾，因此提出保證翻面加工過程中便于定位、支撐以及較薄結(jié)構(gòu)件方便輔助支撐、在加工外輪廓過程中可以持續(xù)切削等一系列要求。

1.2 航空整體結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量分析

加工精度和表面質(zhì)量是航空整體結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量主要指標(biāo)，其中結(jié)構(gòu)件的變形是影響加工精度的主要原因。導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)件加工變形的主要原因如下：

1.2.1 結(jié)構(gòu)件特性的影響。航空整體結(jié)構(gòu)件材質(zhì)上通常以航空鋁合金為主，結(jié)構(gòu)上多采用薄壁結(jié)構(gòu)，因此在加工過程中不可避免地會產(chǎn)生一定程度上的回彈。

1.2.2 毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響。機加工使毛坯尺寸甚至外觀產(chǎn)生較大變化，破壞了原本初始?xì)堄鄳?yīng)力平衡。結(jié)構(gòu)件需要重新平衡內(nèi)部應(yīng)力，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)件的變形。

1.2.3 切削力的影響。切削時刀具與結(jié)構(gòu)件接觸，切削力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件回彈變形，當(dāng)切削力超過材料的彈性極限時就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的塑性形變。同時切削加工時會產(chǎn)生局部高溫，若沒有足夠的冷卻會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件因長時間處于不均勻溫度場而加劇其形變。

1.2.4 裝夾因素的影響。在加工過程中切削機械應(yīng)力、切削熱應(yīng)力以及裝夾應(yīng)力的耦合，引起結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的重新分布，引發(fā)了結(jié)構(gòu)件的變形。

1.2.5 走刀路線和工步順序的影響。不合理的走刀路線以及工步順序會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件因應(yīng)力釋放順序錯亂而導(dǎo)致薄壁件不同程度的變形。

2 航空整體結(jié)構(gòu)件的動力學(xué)模型

航空領(lǐng)域為控制整體的質(zhì)量其整體結(jié)構(gòu)件多以薄壁件為主，在機加工的過程中容易產(chǎn)生振動，當(dāng)加工刀具等產(chǎn)生的激振源頻率與系統(tǒng)的固有頻率相同時，就會導(dǎo)致共振的發(fā)生，進(jìn)而影響了結(jié)構(gòu)件的加工精度。相對于薄壁的結(jié)構(gòu)件，機床工作臺及夾具可以視為剛體。采用有限元方法建立航空框類整體結(jié)構(gòu)件動力學(xué)模型時，首先將工件離散成有限個單元，然后再在根據(jù)各節(jié)點的位移協(xié)調(diào)條件和平衡條件建立整體剛度方程：

式中：[M]、[C]、[K]分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣；{x}和{F（t）}分別為節(jié)點位移和節(jié)點載荷向量。

當(dāng)不考慮阻尼影響且節(jié)點載荷向量為{0}時，得到無阻尼振動的動力學(xué)方程：

3 航空整體結(jié)構(gòu)件在不同裝夾方式下的模態(tài)分析

為分析裝夾因素對結(jié)構(gòu)件的影響，本文選取較為常見的結(jié)構(gòu)件來分析裝夾對其的影響。工件毛坯形狀為335×98×63的長方體，側(cè)壁厚及底板厚為5。材質(zhì)為航空結(jié)構(gòu)件中常見的航空鋁合金7050-T7451，其彈性模量為71GPa，泊松比為0.334。形狀及夾具元件布置圖如圖1所示。為方便建模及計算，夾頭設(shè)為R=8、H=10的圓柱體，夾具元件位置用夾頭與工件接觸區(qū)域中心表示。夾頭材料為AISI 1144淬硬鋼，彈性模量為207GPa，泊松比為0.292。夾具元件限制了X、Y、Z三個移動方向的自由度以及X、Y、Z三軸的轉(zhuǎn)動自由度。夾具元件對工件的約束通過定義接觸對實現(xiàn)，夾具元件與工件之間的摩擦系數(shù)為0.4。工件采用8節(jié)點3維實體單元C3D8I。

圖中1、2、3、4、5、6為定位元件；a、b、c為夾緊元件。布置圖中各元件的坐標(biāo)1（-177.5，0，33）；2（105.5，-59，47）；3（-81.5，-59，47）；4（

-157.5，39，-10）；5（-157.5，-39，-10）；6（157.5，0，-10）；a（177.5，0，33）；b（99.5，59，47）；c（-79.5，59，47）。

ABAQUS是一款經(jīng)典的有限元軟件，其中Frequency模塊是最為常見的模態(tài)分析工具，本文利用該軟件模塊對該結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固有頻率以及最大相對位移的分析。固有頻率的結(jié)果如圖2所示：

通過對圖2的分析可以得出：該長方體結(jié)構(gòu)件是以Y軸方向振動為主的正弦型振型。Y軸方向振動是以Y軸方向為主是由于該結(jié)構(gòu)件在Y軸方向的剛度薄弱。而側(cè)壁上邊緣振動幅度大，則說明側(cè)壁上邊緣剛度薄弱。薄壁結(jié)構(gòu)件加工中為避免產(chǎn)生共振，通常要合理地選配刀具和切削用量。

通過上述分析在后續(xù)方案中采用了在原有裝夾方式的基礎(chǔ)上，增加工件側(cè)壁上頂面壓板方式來增強Y軸方向以及邊緣的剛度。該方案的夾具元件布置圖見圖3。上定壓板尺寸的為長10×5×5。

由圖4（a）可得出：方案二的剛度要大于方案一，具體表現(xiàn)為方案二各階的固有頻率均要大于對應(yīng)的方案一中的固有頻率。由圖4（b）可得出，方案二的主振型的幅值要低于方案一，具體體現(xiàn)為方案二各階的最大相對位移均要小于方案一所對應(yīng)的最大相對位移。

4 結(jié)語

本文首先分析了航空整體構(gòu)件加工的特點以及影響加工精度的因素，隨后建立了結(jié)構(gòu)件的動態(tài)模型，通過一長方體的典型構(gòu)件，利用有限元軟件進(jìn)行了模態(tài)分析得出了其在不同裝夾方式下的固有頻率及振型，計算結(jié)果表明，側(cè)壁上增加頂面壓板的裝夾布局更有利于長方體構(gòu)件的加工。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）