一种波纹管多道次缩径旋压轨迹设计方法

本技术涉及零件成形制造，尤其涉及一种波纹管多道次缩径旋压轨迹设计方法。

背景技术：

1、缩径旋压成形通过控制旋轮加载轨迹和加载参数，对旋转管坯渐进施加局部点加载变形，以产生连续的局部变形累计而实现变直径异型管件的成形。该工艺具有成形载荷小、工艺柔性高及整体成形等优势，广泛用于航空航天等先进装备异型管件的成形制造。

2、波纹管是一类典型的变直径异型管件，其结构复杂，母线由凹圆弧段、凸圆弧段与直线段组成。采用缩径旋压成形波纹管时，旋轮加载轨迹常为多道次复杂曲线，不同结构特征段受到的加载条件与边界约束不断变化，成形壁厚规律复杂变化，且容易产生壁厚过度减薄、过度增厚和壁厚不均匀缺陷，从而制约波纹管精确成形质量与服役性能。因此，如何设计多道次缩径旋压轨迹提高壁厚成形质量，是波纹管精确成形面临的重要挑战。

3、现有的缩径旋压轨迹设计方法均针对端部变直径异型管成形。例如通过在正向旋压道次间增加逆向返程旋压道次，从而控制端部收口筒体缩径旋压成形的壁厚质量。或者采用多道次圆弧轨迹缩径旋压成形端部收口筒，并通过响应面法优化圆弧轨迹曲率，从而提升成形件壁厚分布均匀性。

4、但现有的轨迹设计方法均针对端部收口异型管成形，无法用于存在多段复杂波形缩径的波纹管缩径旋压成形；且现有方法缺乏明确的轨迹量化设计原则与规程，只能通过经验试错法设计轨迹，费时费力且效果不好。而波纹管缩径旋压轨迹为复杂曲线，一般由多段圆弧和直线组成，通过现有的方法无法进行定量化表征。另外，由于波纹管缩径旋压成形中不同结构特征区域的壁厚变化规律不同，加载轨迹的设计要同时考虑局部结构特征和壁厚成形要求，通过现有的方法难以实现定量化设计。

技术实现思路

1、本技术实施例通过提供一种波纹管多道次缩径旋压轨迹设计方法，解决了现有技术中波纹管缩径旋压轨迹无法进行定量化表征和设计的问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种波纹管多道次缩径旋压轨迹设计方法，包括：获取目标波纹管构件缩径旋压过程的代表性周期内的目标特征尺寸，以及目标波纹管在缩径旋压过程中的壁厚成形质量调控目标和壁厚成形质量指标；根据目标特征尺寸设计目标波纹管的缩径旋压有限元模型；应用有限元模型进行缩径旋压模拟实验，基于模拟实验的结果与壁厚成形质量指标，确定目标波纹管在代表性周期内每道次的缩径旋压轨迹形式的可行窗口；根据壁厚成形质量调控目标，从可行窗口中确定出每道次的加载轨迹，获得目标波纹管的缩径旋压轨迹。

4、在一些可能的实现方式中，目标特征尺寸至少包括目标波纹管成形所需的总缩径量、代表性周期的轴向总长、代表性周期内下降段轴向长度、代表性周期内下降段凸圆弧半径、代表性周期内下降段凹圆弧半径、代表性周期内直线段长度、代表性周期内上升段轴向长度、代表性周期内上升段凹圆弧半径、代表性周期内上升段凸圆弧半径。

5、在一些可能的实现方式中，壁厚成形质量调控目标至少包括：提高目标波纹管壁厚均匀程度、减小目标波纹管减薄区平均壁厚减薄程度以及减小目标波纹管增厚区平均增厚程度；壁厚成形质量指标至少包括：壁厚均方误差值、平均减薄率以及平均增厚率；其中，壁厚均方误差值是衡量目标波纹管壁整体壁厚分布均匀程度的指标，平均减薄率是衡量目标波纹管壁厚过度减薄区域的壁厚变化程度指标，平均增厚率是衡量目标波纹管壁厚过度增厚区域的壁厚变化程度指标。

6、在一些可能的实现方式中，壁厚均方误差值表示为：

7、

8、平均减薄率表示为：

9、

10、平均增厚率表示为：

11、

12、其中，ti表示波纹管不同位置的壁厚，表示波纹管壁厚均值；sd表示过度减薄区域壁厚变化率与零值所围成的面积，xd表示过度减薄区域的轴向长度；si表示过度增厚区域壁厚变化率与零值所围成的面积，xi表示过度增厚区域的轴向长度。

13、在一些可能的实现方式中，在根据目标特征尺寸设计目标波纹管的缩径旋压有限元模型之前，方法还包括：确定目标波纹管在代表性周期内的缩径旋压轨迹形式，并对轨迹形式进行定量表征；其中，轨迹形式至少包括代表性周期内的下降凸圆弧、下降凹圆弧、直线、上升凹圆弧以及上升凸圆弧；轨迹形式通过缩径量、下降段凸圆弧半径、下降段圆弧轨迹过渡角、直线段长度、上升段凸圆弧半径、上升段圆弧轨迹过渡角定量表征。

14、在一些可能的实现方式中，应用有限元模型进行缩径旋压模拟实验，基于模拟实验的结果与壁厚成形质量指标，确定目标波纹管在代表性周期内每道次的缩径旋压轨迹形式的可行窗口，包括：根据有限元模型设计第一单因素试验并进行模拟，获取第一模拟结果中不同位置的壁厚值；基于壁厚值分别确定缩径量、下降段圆弧轨迹过渡角以及上升段圆弧轨迹过渡角，与壁厚成形质量指标的定量关系以及每道次允许的壁厚成形质量指标的极值；根据定量关系，结合极值，确定各道次缩径量、下降段圆弧轨迹过渡角以及上升段圆弧轨迹过渡角的可行窗口。

15、在一些可能的实现方式中，根据壁厚成形质量调控目标，从可行窗口中确定出每道次的加载轨迹，获得目标波纹管的缩径旋压轨迹，包括：根据总缩径量和确定的每道次缩径量的可行窗口，确定缩径旋压道次数；基于有限元模型，设计第二单因素试验并进行模拟，根据第二模拟结果确定各道次下降段圆弧轨迹过渡角以及上升段圆弧轨迹过渡角对减薄区与增厚区壁厚变化的影响规律；根据壁厚成形质量调控目标，以影响规律为依据，从可行窗口中分别确定出每道次下降段圆弧轨迹过渡角和上升段圆弧轨迹过渡角；将目标波纹管构件在代表性周期内下降段凸圆弧半径确定为每道次下降段凸圆弧半径，将目标波纹管构件在代表性周期内上升段凸圆弧半径确定为每道次上升段凸圆弧半径；根据每道次缩径量的极限值、下降段圆弧轨迹过渡角以及上升段圆弧轨迹过渡角，通过预设的半径计算公式，分别确定各道次下降段凹圆弧半径以及上升段凹圆弧半径；根据目标波纹管代表性周期的轴向总长与各道次下降段圆弧的轴向长度以及上升段圆弧的轴向长度，确定每道次旋压轨迹的直线段长度。

16、在一些可能的实现方式中，预设的半径计算公式表示为：

17、

18、其中，dall表示总缩径量，di表示前i道次的缩径量，βi表示第i道次的下降段圆弧轨迹过渡角或上升段圆弧轨迹过渡角。

19、在一些可能的实现方式中，在获得目标波纹管的缩径旋压轨迹之后，方法还包括：将获得的目标波纹管的缩径旋压轨迹输入有限元模型，获得旋压构件模拟结果；旋压构件模拟结果包括多道次旋压模拟成形结果和单道次旋压模拟成形结果；通过对多道次旋压模拟成形结果和单道次旋压模拟成形结果进行质量对比，验证目标波纹管的缩径旋压轨迹的有效性。

20、第二方面，本发明实施例提供了一种波纹管多道次缩径旋压轨迹设计装置，包括：获取模块，用于获取目标波纹管构件缩径旋压过程的代表性周期内的目标特征尺寸，以及目标波纹管在缩径旋压过程中的壁厚成形质量调控目标和壁厚成形质量指标；模型构建模块，用于根据目标特征尺寸设计目标波纹管的缩径旋压有限元模型；第一确定模块，用于对有限元模型进行缩径旋压模拟实验，基于模拟实验的结果与壁厚成形质量指标，确定目标波纹管在代表性周期内每道次的缩径旋压轨迹形式的可行窗口；第二确定模块，用于根据壁厚成形质量调控目标，从可行窗口中确定出每道次的加载轨迹，获得目标波纹管的缩径旋压轨迹。

21、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

22、本发明实施例中，通过获取目标波纹管构件缩径旋压过程的代表性周期内的目标特征尺寸，以及目标波纹管在缩径旋压过程中的壁厚成形质量调控目标和壁厚成形质量指标；根据目标特征尺寸设计目标波纹管的缩径旋压有限元模型；对有限元模型进行缩径旋压模拟实验，基于模拟实验的结果与壁厚成形质量指标，确定目标波纹管在代表性周期内每道次的缩径旋压轨迹形式的可行窗口；根据壁厚成形质量调控目标，从可行窗口中确定出每道次的加载轨迹，获得目标波纹管的缩径旋压轨迹。如此，明确给出了轨迹设计规程与量化的设计依据，具有很强的可操作性，解决了缩径旋压轨迹量化表征与设计难的问题；同时，综合考虑了目标波纹管的结构要求和壁厚成形质量约束，可用于设计不同结构参数波纹管缩径旋压合理轨迹，通用性强。