1 引言

隨著航空工業的發展，為了改善航空航天設備的性能，鋁合金整體結構件有了更多的應用。它的特點是尺寸大、壁薄、結構復雜，但板材內部殘余應力引起的加工變形直接影響零部件的機械性能、疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性與使用壽命，而且由于變形的存在，大多數情況下被迫增加校正工序，當零件變形較大時，因校正導致零件破壞或無法校正的現象時有發生，即使校正后外形尺寸合格的零件，因錘擊后存在內應力甚至裂紋，造成零件早期失效而成為發生事故的重要隱患。

由于高速銑削的發展，殘余應力已經變成加工過程中整體結構件宏觀( 整體) 變形的主要因素，而在以往的研究中，研究的都是簡單的框類結構件，不能達到準確預測復雜整體結構件加工變形的目的。筆者在忽略了切削力、切削熱、裝夾等因素的影響基礎上，通過有限元仿真模擬了復雜的整體結構件的殘余應力釋放產生的加工變形，通過準確預測整體結構件的加工變形，為企業加工此類產品的加工變形控制提供了依據。

2 初始殘余應力釋放產生加工變形的基本原理

殘余應力是當沒有任何工作載荷作用的情況下，存在于結構件內部且在整個結構件內保持平衡的應力。其產生原因是工件某一部分變形受到約束，而局部不均勻塑性變形是殘余應力產生的普遍原因。殘余應力是在物體未受外力時，在內部保持自身相互平衡的應力系統。即工件內任意界面內的合力矩和合力滿足:

金屬的切削加工過程伴隨著被加工材料的去除，隨著加工材料的去除，切削層中的殘余應力被逐漸釋放，工件的自身剛度也發生變化，原始的自平衡狀態被破壞，工件為了達到新的平衡狀態而發生了變形，這就是殘余應力釋放產生加工變形的基本原理。基于以上的公式可通過理論計算和數值模擬對帶殘余應力毛坯材料切削加過程中的工件變形進行預測，以便在生產過程中采取相應的工藝措施，提高工件的制造精度。

3 有限元模型的建立

3． 1 基于Hypermesh 的有限元網格劃分

3． 1． 1 毛坯材料和工件尺寸

在整體結構件的加工過程中，采用的毛坯為矩形截面的板材，毛坯長、寬、高的尺寸為: 2631mm ×1945mm × 30mm。毛坯的材料選7075 － T351 鋁合金預拉伸薄板，經過了去應力塑性拉伸－ 人工實效處理。要研究鋁合金初始殘余應力對加工變形的影響，首先得知道鋁合金預拉伸板的初始殘余應力，通過剝層法測得初始殘余應力分布曲線如圖1所示。加工成型的鋁合金整體結構件如圖2 所示，加工完成的工件尺寸為2631mm × 1945mm × 15mm，其中框架高12mm，寬9mm。

3． 1． 2 Hypermesh 下的網格劃分

此整體結構件模型相對復雜，為了提高前處理的速度和實現復雜模型的殘余應力仿真，將建好的Pro /E 三維模型導入到Hypermesh 中，運用Hypermesh強大的網格劃分能力實現了整體結構件的網格劃分。網格劃分時，考慮到殘余應力的加載，毛坯件沿著厚度方向等長度劃分單元，每一層單元獨立建立一個set。而且毛坯件的銑削加工材料去除部分和整體結構件劃分在兩個不同的component 中，材料去除部分的三維有限元網格沿著厚度方向每一層劃分到一個set 中，以模擬材料的層層去除對整體結構件變形的影響。毛坯和整體結構件的有限元網格模型如圖3、圖4 所示。

毛坯件的有限元模型有312521 個節點，281150個單元，單元質量檢查最小雅克比為0． 66，最小角度為43°，滿足有限元計算要求。

3． 2 初始殘余應力的施加及邊界條件

將Hypermesh 有限元前處理的結果輸出為inp文件，導入到ABAQUS 中。如圖5 所示，將上述殘余應力的曲線離散化，按照“力平衡，力矩平衡”的原則得到各層對應的平均應力。編寫ABAQUS 中的inp文件，加載整體結構件的各層殘余應力。邊界條件采用3 － 2 － 1 約束方式，即在零件的底面選取不共線的三點，這三點分別被約束住萬YZ，YZ 與X 向平移自由度，這樣既限制了工件的剛性位移，又保證了工件內殘余應力的重新分布能引起自由變形。

3． 3 殘料去除的模擬技術和模擬過程

在ABAQUS 中，材料的去除過程是用單元生死技術模擬的，即將有限元中的剛度矩陣( 或熱傳導系數以及其它相似的量) 乘以一個非常小的衰減因數，使其失效而“殺死”單元。本文的鋁合金整體結構件沿著厚度方向每3mm 劃分一層單元，用生死單元技術模擬單元的去除，每去除一層單元，ABAQUS 作為一個載荷步計算一次，這樣，隨著材料的去除，去除部分的殘余應力被逐層的釋放，殘余應力的自平衡狀態被破壞，工件的剛度逐漸的降低，變形逐漸凸顯出來。

4 有限元仿真結果分析

圖6 為殘余應力釋放后引起的整體結構件的加工變形云圖，可以看出隨著殘余應力的釋放，整體結構件的翹曲變形越來越大，圖中的虛線表示工件理想形狀，實線表示變形后的工件形狀。

在整體結構件底面沿著軋制方向選擇一條path，path 中選擇所有的節點，繪制出沿著扎制方向底面的變形曲線圖，如圖7 所示。

將底面的所有單元變形值從變形數據庫中提出，繪制出整體結構件變形曲面圖，如圖8 所示。

由圖7、8 可知，底面的變形主要是殘余應力引起的沿著長度方向的“曲翹”變形，由于寬度方向的尺寸小，并且S22 較小，其“曲翹”變形很小。最大變形值為45． 56mm，發生在坐標( 2631， 1945) 處。工件發生加工變形的同時，導致完工零件殘余應力的重新分布，破壞了毛坯中初始殘余應力的分布規律。毛坯中，層與層之間的初始殘余應力于中心層對稱分布，模擬加工隨著應力的釋放引起應力集中，特別是有肋的地方應力集中較大。

毛坯初始殘余應力對加工變形有重要的影響，為了提高此整體結構件的制造精度，可以通過降低和均勻化殘余應力、長度方向加筋板等方案控制整體結構件的變形。

Hypermesh 和ABAQUS 的合理應用，使得仿真預測復雜整體結構件的加工變形得以實現，變形預測能降低航空制造企業產品的事故率。如果通過Hypermesh開發航空整體結構件加工變形的流程一體化程序，配合應力測量實驗，航空整體結構件的加工變形仿真的應用將會更加廣泛。

5 結論

通過Hypermesh 軟件完成了整體結構件的網格劃分，提高了有限元前處理的速度，簡化了整體結構件殘余應力的加載和去除，保證了整體結構件的加工變形仿真。為復雜的整體結構件的加工變形仿真提供了可用的前處理方案。

給出了有限元仿真的相關技術，綜合運用Hypermesh和ABAQUS 完成了整體結構件殘余應力作用下的加工變形仿真，并總結了殘余應力影響下的加工變形規律和應力變化規律。

分析了仿真結果，提出能有效較小加工變形的方法。通過現場調研，驗證了有限元仿真結果的可靠性，可以指導生產實踐。