[发明专利]一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法

权利要求书

1.一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，包括：

步骤1：建立由数控旋压机床上的旋轮和气瓶管坯组成的三维热力耦合有限元模型；

步骤2：在三维热力耦合有限元模型中进行热旋压收口过程计算，得到管坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的温度场、应力场和应变场；

步骤3：根据数控旋压机床实际加工过程中管坯内外表面的温度修正有限元模型的换热系数；根据气瓶管坯的材料强度修正热旋压工艺参数；根据气瓶管坯的材料塑性修正热旋压工艺参数；

步骤4：利用修正后的三维热力耦合有限元模型模拟热旋压收口的加工过程，将模拟加工过程所用的加工参数用于实际数控加工过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，所述步骤1中三维热力耦合有限元模型中约束条件的构建，包括：

步骤1.1：将旋轮和气瓶管坯的工作角度设置为90°；

步骤1.2：在气瓶管坯端面中心建立一个参考点，将参考点和气瓶管坯端面进行耦合约束；

步骤1.3：对参考点施加转动边界条件带动管坯进行自转；

步骤1.4：设定旋轮的转动惯量，释放旋轮平面与管坯平行面的转动约束；

步骤1.5：根据实际数控旋压加工过程的温度设置仿真过程的环境温度，用于模拟数控旋压机床上加热枪对管坯表面的加热。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：利用本构方程对三维热力耦合有限元模型中材料的属性进行赋值；

步骤2.2：使用精确点坐标控制旋轮的运动轨迹；

步骤2.3：在有限元软件中沿气瓶管坯的厚度方向划分为M层网络，网格单元类型设置为8节点的热力耦合实体单元；

步骤2.4：利用有限元软件对划分网格后的三维热力耦合有限元模型进行热旋压收口过程计算，得到管坯所有网格单元在计算时间内任意时刻的温度场、应力场和应变场。

4.根据权利要求3所述的一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，所述步骤2.1中的本构方程表示为：

式中，为von-Mises流动应力，为材料的等效塑性应变，为应变率，T_h为无量纲温度，T_m、T_r分别为材料的熔点、室温，A、B、η分别为在和T_h下的初始屈服应力值、硬化模量、硬化指数，为材料的参考应变率，C和m分别为材料的应变率强化、热软化函数中的参数。

5.根据权利要求3所述的一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，所述步骤2.2包括：

步骤2.2.1：根据数控旋压机床加工气瓶管坯的加工工艺，在三维软件中生成旋轮的运动轨迹，并在运动轨迹上插入N个点；

步骤2.2.2：根据N个点坐标换算为旋轮在有限元软件中的运动轨迹；具体表述为：将N个点坐标转化为有限元软件中的幅值，幅值中的列表系数为点坐标，幅值中的比例系数取值为1。

6.根据权利要求3所述的一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，步骤2.3中，所述有限元软件为ABAQUS软件，利用ABAQUS软件中的Explicit平台对三维热力耦合有限元模型进行热旋压收口过程计算。

7.根据权利要求1所述的一种基于有限元建模的气瓶热旋压加工方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：利用数控旋压机床进行气瓶管坯的热旋压收口加工时，测量出管坯的外表面温度，如果测量出的外表面温度值T₁大于热力场中的外表面温度值T₂，则增加管坯外表面的换热系数直至温度值T₁与T₂之差的绝对值小于预设误差δ₁；否则减小管坯外表面的换热系数直至温度值T₁与T₂之差的绝对值小于预设误差δ₁；

步骤3.2：如果测量出管坯的内表面温度值T₁'大于热力场中的内表面温度值T₂'，则减小管坯内表面的换热系数直至温度值T₁'与T₂'之差的绝对值小于预设误差δ₁'；否则增加管坯内表面的换热系数直至温度值T₁'与T₂'之差的绝对值小于预设误差δ₁'；

步骤3.3：如果计算得到的应力场中应力值p₁大于气瓶管坯材料的强度p₂，则说明设置的热旋工艺参数超过材料承受的范围，需要重新设置旋压工艺参数直至应力场中应力值p₁小于强度p₂；

步骤3.4：如果计算得到的应变场中应变值α₁大于气瓶管坯材料的塑性α₂，则说明设置的热旋工艺参数超过材料的塑性，需要重新设置旋压工艺参数直至应变场中应变值α₁小于塑性α₂。