飞机机加框激光喷丸轨迹生成及数值分析

2020-07-06方阳

民用飞机设计与研究 2020年2期

方阳

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

激光喷丸强化是一种新型表面改性技术，相比传统弹珠喷丸具有表面完整性好、残余压应力层深、零件疲劳寿命长，自动化程度高及工作环境好等优势，尤其在零件易疲劳部位(如转角、底圆角、曲度变化剧烈等区域)比传统喷丸强化有更好的工艺灵活性及表面强化效果。

激光喷丸强化在飞机零部件表面处理及维修领域有很多工程应用。比如飞机机翼接头零件的激光喷丸强化处理[1-4]，包括一些支座类、耳片等疲劳易损零件，以提高应力腐蚀裂纹的抵抗能力[5-6]。已有研究表明激光喷丸可以处理多种常用航空金属材料，比如铝(Al2024-T351)、铝锂合金(AA2198-T3)、钛合金(Ti-6Al-4V)、钢(AISI304)及高温合金(IN718)等[7-12]。

作为喷丸工艺实现工业应用的一个重要环节，轨迹生成及路径规划会影响喷丸质量、效率及成本，与传统弹丸喷丸处理复杂零部件类似[13]，需要根据零件外形几何特征和喷丸部位进行喷丸前期路径的生成及预处理，激光喷丸强化工艺灵活性比较大，可以借助工业机器人或专用设备执行轨迹[14]进行喷丸处理。SALIMIANRIZI A. et al.[15]和AMINI S. et al.[16]探究了喷丸路径对残余应力及强度的影响，喷丸次数增加会提高材料硬度和强度，一定程度会降低韧性。ZOU Shikun et al.[17]研究了采用方形光斑喷丸Ti-17压缩机叶片的表面完整性及疲劳性能，喷丸后叶片两侧面的表面粗糙度降低，疲劳寿命提高一个数量级。CAO Ziwen et al.[18]采用数值模拟分析方形光斑条件下钛合金Ti-6Al-4V喷丸后在光斑作用中心部位存在应力孔现象。YANG Chunhui et al.[19]采用FEA对比分析不同直径的AA7050圆棒激光喷丸后中心部位的残余应力，圆棒直径不同，喷丸后中心部位径向及纵向(轴向)残余应力分布有很大差异。目前国内外大多数研究侧重于试验件激光喷丸、喷丸机理及变形力学特征分析、喷丸材料及工艺参数影响等，关于激光喷丸强化轨迹定制化生成及一体化集成平台的开发设计，以及轨迹路径对喷丸质量及效率影响的有关研究还比较少。

基于CATIA软件实现了激光喷丸强化工艺轨迹平台软件的一体化开发，并对某机型货舱门框的机加框喷丸区进行喷丸路径规划和轨迹生成，按照输出的轨迹点数据，采用ABAQUS有限元软件的子程序分析激光喷丸区域的变形行为，包括分析应力、应变及变形位移的分布特点。

1 激光喷丸强化轨迹平台开发

图1 平台开发功能及流程图

CATIA是制造业领域的一款主流软件，提供两种二次开发接口，包括自动化对象编程和开放的基于构件的应用编程接口。前者采用VB，编程系统采用面向对象、事件驱动的编程机制，提供一种简单易行的可视化程序设计方法。后者是以框架技术为开发平台，采用标准接口技术，利用C ++ 与 CATIA 进行通信，可根据用户需求实现对 CATIA 所有开放接口的二次开发。C#是一种面向对象的高级程序设计语言，综合VB简单可视化操作和C++高速运行效率的特点。利用C#编程语言，基于CATIA软件进行激光喷丸强化工艺轨迹平台软件的开发工作，该软件平台开发功能及流程如图1所示。

1.1 轨迹平台软件交互界面

为了实现友好人机交互界面平台的操作，该平台软件分为登录模块和喷丸轨迹规划及生成输出的主界面模块。

1)登录模块：输入用户名和密码，验证访问权限后进入主界面，且新用户可以进行注册实现权限安全管理，如图2所示。

图2 登录界面

2)主界面模块：该平台主界面，如图3所示，分为若干个功能区，各个功能区的实现如下：

图3 CATIA软件喷丸轨迹平台主界面

(1)喷丸轨迹生成模块：选择并设定喷丸轨迹生成几何参数；

(2)喷丸工艺参数设置模块：设置喷丸轨迹工艺参数，比如覆盖率，光斑显示与隐藏；

(3)零组件信息显示模块：显示与喷丸零件关联的CATIA几何特征；

(4)激光喷丸强化类型模块：选择喷丸工艺类型，按需可选择单面和双面喷丸；

(5)工作任务进度区：显示用户当前的任务进度及工作量；

(6)界面提示信息区域：提示用户当前操作的信息及状态。

1.2 机加框喷丸轨迹生成

以某型飞机机身前货舱门框部位需要进行喷丸处理的机加框零件为例，图4(a)为轨迹平台主界面在CATIA软件中的交互界面显示，图4(b)和(c)分别为机加框局部喷丸部位的轨迹生成过程及结果文件输出。

(a)机加框的激光喷丸区域

(b)喷丸区轨迹生成

(c)激光喷丸轨迹输出图4 机加框喷丸轨迹生成图示

根据上述轨迹平台规划生成及输出的喷丸轨迹相关数据，在一定程度上可以实现后续激光喷丸强化(或成形)的数值分析及实验验证工作。

2 机加框激光喷丸数值分析

根据第1.2节激光喷丸轨迹平台生成的喷丸轨迹，利用ABAQUS有限元软件对机加框喷丸区进行激光喷丸数值模拟，分析机加框激光喷丸后的变形行为特点，验证喷丸轨迹平台用于轨迹的适用性。

2.1 材料及工艺参数

货舱门框机加框材料采用铝合金2050-T8，其化学成分见表1，因激光喷丸材料变形为动态屈服塑性变形，应变率在106s-1量级。因此，应力应变关系可采用Johnson-Cook模型，如式(1)所示。

(1)

式中：

表1 2050-T8化学成分[22]组成

表2 2050-T8 Johnson-Cook模型参数

激光喷丸强化的激光源目前比较常见是采用工业级Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)固体激光器，工艺参数如表3所示。

表3 激光工艺参数

在激光喷丸强化过程中，激光光斑覆盖区域内在零件表面诱发的脉冲压力分布可近似采用高斯分布[22]模型，如式(2)所示。

(2)

式中：

r为激光光斑半径/mm；p0(t)为激光瞬时脉冲压力/Mpa。

2.2 机加框激光喷丸数值模拟

考虑模拟成本及喷丸斑点具有规则分布特征，选取机加框喷丸区具有代表性的局部进行激光喷丸FEA分析，网格单元类为C3D8R，喷丸部位网格进行细化(0.25 mm)，依据轨迹路径，采用VDLOAD子程序进行激光喷丸变形分析，整个模型共有617 640个单元，有限元模型如图5所示。

图5 激光喷丸区域FEA模型

2.2.1 喷丸区域应力分析

为了探究激光喷丸区域应力分布特点，现对机加框喷丸区域的不同部位最小主应力进行对比分析。图6所示为距离参考基准面d=21.5 mm处应力分布，图7为距离参考基准面21.5 mm、23.0 mm、24.5 mm和26.0 mm处应力分布。

图6 喷丸区域d=21.5 mm处最小主应力

图7 喷丸区域不同位置最小主应力分布

从图6和图7中应力分布可以看出，最小压应力均不在零件表面部位，而在距离表面大约1.0 mm厚度处，且距离参考基准面不同位置处的激光喷丸最小压应力值基本相同，压应力分布也较均匀，最小应力值范围在-460 Mpa～-510 Mpa。

2.2.2 喷丸区域应变分析

为了进一步分析激光喷丸对局部塑性变形的影响，采用等效塑性应变(Equivalent plastic strain，以下简称PEEQ)与应力分析一致，提取喷丸区域不同部位的等效应变PEEQ。图8所示为距离参考基准面d=21.5 mm处的PEEQ分布，图9为距离参考基准面为21.5 mm、23.0 mm、24.5 mm和26.0 mm处的应变分布。