基于ABAQUS二次開發的鈦合金自鎖螺母收口過程研究

梁鋮,黎向鋒,吳同一,齊增星,李文生,張文靜,楊斌,趙彥偉

(1. 南京航空航天大學 機電學院,江蘇 南京 210016;2. 天津市緊固連接技術企業重點實驗室,天津 300300;3. 航天精工股份有限公司,天津 300300)

0 引言

自鎖螺母因具有可靠的抗振防松、可重復使用功能[1],在飛機構件連接裝配中得到了廣泛應用。這種螺母制備流程中的收口工序旨在使其產生塑性變形,進而在連接中產生對螺桿的鎖緊力矩以有效防止螺紋連接的松動與松脫。其收口工藝參數包括收口模具形態、收口區域面積、收口量及收口速度等。上述參數的變動對其鎖緊性能存在至關重要的影響,而鎖緊性能的好壞又關系到整體產品的可靠性與壽命[2]。但目前針對收口螺母三點式收口過程中工藝參數研究極其匱乏。因此,對某航天企業鈦合金TC4三點收口過程工藝參數的有限元仿真研究具有重要的實用價值[3-6]。

ABAQUS是國際上公認的優秀有限元仿真軟件之一,已在很多領域都得到了廣泛應用[7]。相較于其他仿真軟件,ABAQUS在非線性分析方面具有較強的計算能力,并且提供了基于Python語言的接口,用戶通過編寫腳本接口語言能夠實現各個處理模塊的參數化開發。張曉冬等[8]基于Python語言編寫腳本插件和采用ABAQUS GUIToolkit語言制作圖形用戶界面,對管件中頻熱彎數值模擬過程進行二次開發,實現了熱彎模擬的快速建模分析和自動后處理功能,加快了總體分析進度,提高了工作效率。TANG[9]對帶式傳輸機關鍵部件彎輥受力狀況進行了仿真模擬,使用Python完成了ABAQUS的二次開發,得到了彎輥應力分布與變形狀況,實現了自動建模、網格劃分、指定材料等前處理過程,避免了繁瑣的手動操作,顯著提高了彎輥設計優化過程的效率。

基于此,本文采用ABAQUS有限元軟件,參考以往的仿真與二次開發經驗,建立鈦合金TC4自鎖螺母收口過程仿真模型,并對其前處理模塊進行二次開發,以簡化多次前處理所需的繁瑣操作,從而成為收口工藝參數仿真優化強有力的支撐。

1 自鎖螺母收口仿真模型建立

1.1 幾何模型及裝配體的建立

本模型主要模擬鈦合金自鎖螺母收口變形過程,為了簡化模型、縮短計算時間,對收口螺母和收口模具作出如下幾何簡化:收口模具只對其頭部關鍵部分進行建模,收口螺母(圖1(a))只建模受擠壓變形的六邊形部位。模型通過ABAQUS軟件中的部件模塊與裝配模塊建立,收口過程簡化后的裝配模型如圖1(b)所示?？紤]到實際收口過程采用三點式收口方式,設置各收口模具的初始位置相隔120°,從而使模型更符合實際的收口過程,由此完成初始工序條件的設置。

圖1 自鎖螺母實物及簡化后的裝配模型

1.2 材料屬性

鈦合金具有強度高、抗蝕性好、低溫性能好等優點;以TC4鈦合金為材料的自鎖螺母已得到航天企業的廣泛使用。為了提高材料參數與計算結果的準確度,本文對TC4鈦合金進行了拉伸實驗,獲得的應力-應變曲線如圖2所示,TC4力學性能如表1所示。

表1 TC4鈦合金力學性能

圖2 TC4鈦合金拉伸實驗曲線圖

1.3 求解方法及網格劃分

自鎖螺母因包含內螺紋呈現為不規則形狀,其整體為復雜的幾何模型,因此將自鎖螺母模型網格劃分為四面體網格,確定為10結點修正2次四面體單元C3D10M。對螺母與收口模具接觸區域及內螺紋區域進行網格加密處理,全局尺寸0.2,局部尺寸采用0.12,從而提高該區域的精確性;收口模具因呈現為較為復雜的不規則形狀,對其采用自由網格劃分方式,將其分割為多個部分,各部分采用與收口螺母相同的四面體網格單元C3D10M,全局尺寸設為0.3。模型網絡劃分如圖3所示。

圖3 模型網格劃分結果

1.4 相互作用及邊界條件

仿真中主要關注的對象為自鎖螺母內螺紋區域的應力應變狀況,因此將3點方向的收口模具設置為剛體。根據收口過程的約束,在邊界條件設置中限制自鎖螺母平動自由度和轉動自由度。同時,為方便調整收口模具的進給方向,在自鎖螺母中心建立圓柱坐標系,并設置3個收口模具加載方向為自鎖螺母徑向方向,加載速度設為-0.4mm/s,其余方向的運動自由度均約束為0。

在收口模具與自鎖螺母的接觸設置中,設置二者接觸形式為表面接觸?？紤]收口模具網格較粗糙,并且接觸面為剛性面,因而將其設置為主接觸面;自鎖螺母對應的接觸表面設置為從接觸面,將接觸屬性的切向行為定義為無摩擦,法向行為定義為硬接觸,完成工件和模具相互作用和邊界條件的定義。

2 自鎖螺母收口仿真模型二次開發

2.1 ABAQUS腳本接口及插件開發介紹

ABAQUS軟件為用戶的二次開發提供了兩種接口,一種是用Fortran語言進行用戶子程序接口;另一種是基于Python語言ABAQUS的腳本接口,其能夠擴充Python的對象以及對應的屬性和方法,并且Python的腳本接口文件可直接向ABAQUS內核發送命令,完成指定操作。后者在開發中主要用于如快速建模、參數修改等前處理以及如訪問和輸出結果數據庫的后處理等操作[10]。

ABAQUS插件程序主要由接口文件和圖形用戶界面(GUI)文件組成,其中接口文件為Python語言編寫的腳本文件,GUI文件為ABAQUS內置的RSG插件編寫生成的文件,能夠在框架內設置圖片、文本框等多項功能并實現可視化操作,在其內核標簽頁中可選擇對應的實現函數,來完成函數調用和參數傳遞[11]。圖4為基于ABAQUS仿真流程的GUI界面與Kernel內核交互流程。

圖4 基于ABAQUS仿真流程的GUI界面與Kernel內核交互流程

2.2 自鎖螺母收口仿真模型的參數化

工藝參數仿真過程中,需多次建立模型并嘗試不同的模型幾何參數,從收口模具形態方面改善自鎖螺母內螺紋區域的應力分布情況。因此,仿真過程涉及變量眾多而繁雜,在調整過程中易出現紕漏,造成仿真的失準。因此,將涉及模型的多個變量參數化,采用自動化建模具有更大優勢。表2為模型建立階段相關參數的物理意義及在程序中的變量名,其在幾何模型中的對應關系如圖5所示。

表2 模型參數物理意義及變量名

圖5 模型參數幾何對應關系

建立模型的部分源代碼如下:

自鎖螺母厚度:

p. BaseSolidExtrude(sketch=s,depth=locknut. thickness)

收口模具斜度、高度與寬度:

delta=crimpingdie. width*math. tan(float(crimpingdie. dip)/180*math. pi)s1. Line(point1=((crimpingdie. width/2),(crimpingdie. height/2)),point2=((crimpingdie. width/2),crimpingdie. height/2-delta))

s1. Line(point1=((crimpingdie. width/2),(crimpingdie. height/2)),point2=((crimpingdie. width/2),crimpingdie. height/2-delta))

收口模具厚度:

p. BaseSolidExtrude(sketch=s1,depth=crimpingdie. depth)

2.3 裝配過程參數化

目前的收口過程中對自鎖螺母應力-應變分布狀況產生重要影響的不僅包含螺母、螺紋和收口模具的多個幾何參數,同時也與收口過程中的收口區域高度、進給量、進給速度等工藝參數密不可分,其參數的物理含義及變量名如表3所示。

表3 裝配參數化中參數物理意義與變量名

考慮在初始狀態定義的過程中,對應的距離無法直接用參數表示,裝配中將收口模具下端面與螺母上端面對齊,再計算出其豎直方向偏移量。

δ=-(H-h)

(1)

式中:H為螺母厚度;h為收口區域高度。

2.4 前處理圖形用戶交互界面

本系統采用RSG構造器來制作圖形用戶交互界面,將變量與圖形界面中的參數進行對應。為便于直觀顯示和理解,給各個模塊添加了相應的圖片以標識各變量物理意義,從而使整體更加形象易用,參數化設置界面如圖6所示。

圖6 參數化前處理GUI界面

3 結果與驗證

根據本文開發的插件所建立的模型,得到TC4螺母收口工進階段最終的應力-應變分布,從其結果中能夠分析出:自鎖螺母的內螺紋區域與收口模具接觸區域應力明顯大于其他區域,并且內螺紋區域中內螺紋牙頂應力-應變較大,出現了應力集中現象,符合實際收口過程真實的應力-應變分布狀況。

3.1 不同收口量仿真與實驗探究

為探究工藝參數對自鎖螺母收口過程的影響規律,針對不同的收口量與收口點高度,進行了多組實驗如圖7、圖8所示。針對不同收口量,測得工退階段結束后的實際自鎖螺母圖中突出區域的最大徑向變形量,與仿真結果的對比如表4所示。

表4 不同收口量下實驗與仿真變形量結果對比

圖7 不同收口量仿真結果

圖8 不同收口點高度仿真結果

從上述結果能夠分析出,模型與實際之間的誤差合理,隨收口量的增加,收口區域和內螺紋區域的應變顯著增加,變形量明顯提升,在生產過程中,合理增加收口量,能夠提高螺母變形程度,從而增大后續的鎖緊力矩,提升產品的性能。

3.2 不同收口點高度仿真與實驗探究

從圖8中可明顯看出,隨收口點高度的增加,深色應力較大的區域面積不斷提升,其產生的變形也隨之增加。因此在生產過程中,適當增大收口點高度,能夠明顯提高自鎖螺母產品的變形程度。

3.3 實際驗證結果

在收口裝置(圖9(a))上進行實際測試,將經仿真模擬后的優化工藝參數用于自鎖螺母的實際收口過程;圖9(b)為3點處的收口模具,圖9(c)為收口完成后的自鎖螺母,收口過的螺母內螺紋區域未出現裂紋。

圖9 鎖緊螺母收口裝置與鎖緊螺母

4 結語

1)本文基于ABAQUS有限元仿真軟件,利用前處理模塊建立了鈦合金TC4自鎖螺母與收口模具模型。對鈦合金材料TC4進行了拉伸實驗,獲取了其力學性能參數與應力-應變曲線,并完成了有限元模型的建立。

2)基于建立的有限元仿真模型,采用Python語言與ABAQUS腳本接口對其進行二次開發,編寫了自鎖螺母建立、收口模具參數化模型與各項工藝參數設置的內核腳本程序,使用RSG插件建立了簡潔方便的圖形用戶界面,增強了程序與操作人員的交互性,極大地縮短了建立調整模型所需的時間,方便相關人員的操作,提高了整體仿真效率。

3)基于參數化前處理模塊,合理設置各項工藝參數,仿真得到了最終工進狀態下的TC4螺母內螺紋區域應力-應變分布狀況,并將上述設置的工藝參數應用于實際的自鎖螺母收口過程,得到增加收口量和收口點高度能夠提升自鎖螺母變形程度,從而提高鎖緊性能的結論。