数控超声波喷丸校形工艺研究与预测模型建立

摘要

为适应航空航天飞行器高速、高机动性能的发展需要,整体结构件日趋大型化、复杂化,在制造精度、疲劳性能等方面的要求越来越高。数控超声波喷丸是一种高精度、高应变速率下的强化与成形技术,受结构件材料、形状和尺寸的影响小,并能大幅度提高喷丸后工件的综合性能,因而数控超声波喷丸在航空航天壁板类零件的成形和校形应用中意义重大。本文对单曲度2024-T351铝合金变形试验件进行了数控超声波喷丸校形技术工艺研究,创建并验证了超声波喷丸校形工艺预测模型,论文主要研究工作及结论如下:
　　(1)分析了超声波喷丸校形物理过程和喷丸残余应力的引入机理,推导出残余应力与校形量的理论公式,并分析了冲击角度对喷丸残余应力的影响。研究表明,冲击角度影响喷丸残余应力的释放和引入,非垂直冲击时冲击动能对回弹所需能量的转化率降低。喷丸校形量取决于材料属性、喷丸强度和喷丸路径。
　　(2)进行了单曲度铝合金变形试验件的数控超声波喷丸校形工艺试验,定量研究了喷丸工艺参数对校形效果的影响。研究表明,校形试验件的中点校形量对校形效果影响显著,中点校形量随喷丸区域宽度的增加而增加,随进给速度、喷丸轨迹间距和喷丸电流的增大先增大后减小。不恰当的工艺参数会导致“局部凸点”和“凸起”现象,“局部凸点”现象通过调节喷丸区域宽度、进给速度、初始变形量或喷丸电流加以消除,“凸起”现象通过调节进给速度加以抑制。
　　(3)采用 ABAQUS模拟软件分析了数控超声波喷丸校形工艺参数对校形量的影响及其与工艺试验效果的吻合度。结果表明,模拟结果与试验结果的吻合度较高,两者数据点平均误差0.026mm,平均误差率5.5％,所采用的超声波喷丸校形模拟方法是合理、可靠的。
　　(4)探索了采用 BP神经网络建立超声波喷丸校形预测模型的方法,对预测模型隐含层节点数量进行了优化研究,并采用ABAQUS有限元模拟增加了模型数据量,提高了网络泛化能力。研究表明,隐含层节点数为4时网络精度最高,网络泛化能力提高后模型预测误差均值由0.05mm降为0.02mm,所建立的预测模型在带筋铝合金变形件的校形中得到了验证。

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注释表

第一章绪论

1.1 引言

1.2 航空结构件校形技术研究综述

1.3 论文研究意义及主要内容

第二章超声波喷丸校形工艺理论分析

2.1 超声波喷丸物理冲击过程分析

2.2 超声波喷丸校形力学分析

2.3 本章小结

第三章超声波喷丸校形工艺试验研究

3.1 试验装置及试样制备

3.2 超声波喷丸校形工艺试验方案制定

3.3 超声波喷丸校形试验过程与结果分析

3.4 本章小结

第四章超声波喷丸校形工艺有限元模拟研究

4.1 ABAQUS有限元模拟理论

4.2 超声波喷丸校形有限元模拟过程与分析

4.3 本章总结

第五章超声波喷丸校形工艺预测模型的构建与工艺验证

5.1 BP神经网络预测模型的原理

5.2 超声波喷丸校形工艺神经网络预测模型的建立与分析

5.3 神经网络数据集拓展与泛化能力提升

5.4 基于BP网络预测模型的数控超声波喷丸校形能力研究

5.4 基于ABAQUS与BP神经网络模型的工艺验证

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文