机械工程学报

作者：王华敏, 秦国华, 胡政, 林锋, 吴竹溪, 韩雄

单位：1. 南昌航空大学航空制造工程学院 南昌 330063;2. 南京航空航天大学机电学院 南京 210016;3. 成都飞机工业(集团)有限责任公司数控加工厂 成都 610092

关键词：航空整体结构件,初始残余应力,加工变形,拓扑优化,MMA算法；

基金：国家自然科学基金（51765047，51465045）、江西省主要学科学术和技术带头人资助计划（20172BCB22013）、江西省科技厅重点研发计划（20192BBEL50001）、航空科学基金（2016ZE56011）、成飞横向科技服务项目（（16）-025）、广东省教育厅特色创新类项目（2017GKTSCX102）和江西省教育厅科技项目（GJJ170572）资助项目。

在毛坯制造过程中，材料力学性能的非均匀性导致铝合金厚板内产生残余应力，以致在后续的高速切削加工过程中，随着材料的大量去除，残余应力的释放使得整体结构件发生变形，严重影响着整体结构件的尺寸稳定性。当初始残余应力水平及状态一定时，随着从毛坯上去除材料切削成形为不同的零件结构，零件变形会表现出不同的形式。因此，研究零件变形与零件结构形式之间的关系对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要。首先，通过铝厚板的材料去除等效为残余应力的释放，利用弯曲变形理论建立铝厚板厚度方向上加工变形的解析分析模型及有限元分析模型。通过航空企业现场加工、测试零件后可知：加工变形的解析值、仿真值与测量值相比，无论是幅值水平还是变形曲线，解析值与仿真值完全吻合，而两者与实验值之间仅存在不到10%的幅值误差。其次，为了使得加工变形达到最小，构建以结构体积为约束的拓扑优化设计模型，通过利用一系列凸显式子问题逼近目标和约束函数，构建拓扑优化模型的MMA求解技术。最后利用所提出的优化方法计算出C919直梁件的结构，优化前、后的加工变形分别为22.02 mm与0.7414 mm，在相同的材料去除量情况下，通过优化结构可以使得加工变形减小96.63%。

来源：2019年第21期

《机械工程学报》期刊编辑部

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