飞机结构件“残余应力-结构”的耦合加工变形预测及结构优化设计方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51765047
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    40.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0509.加工制造
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

From the unified viewpoint of blank manufacturing, structure design and workpiece machining, an "analysis - prediction - control" method is investigated for the "residual stress - structure" couple deformations of aircraft structural parts. Firstly, based on the fact that the machining deformations is far less than geometric dimensions, the mechanical models of workpiece deformation and residual stress redistribution are formulized to realize the connection of FEM with analytical method for the high speed milling of aircraft structural parts. Secondly, the determination method for the position and stress intensity of crucial points is suggested to linearly approximate the distribution curve of residual stress. By taking the stress intensity of crucial points as input samples, the neural network model can be established to predict the workpiece deformations. And then, a stress optimal model is established with the multi-objective of maximizing both stress amplitude and workpiece deformations within the machining requirements. By equivalently transforming the multi-objective optimal model into the simple-objective optimal model, a genetic algorithm solution technology is developed for the stress optimal model so that it can provide the residual stress specification for the upstream process of workpiece machining. Finally, the non-symmetry ratio of material removal is for the first time defined to reveal the workpiece deformation rule and in turn, the material distribution optimal model is established to minimize the compliance under the constraint condition of material reservation ration. By constructing the step function with the variable of sensibility, a heuristic optimization method is proposed to update the design variables so that it can provide a theory basis for the design of workpiece structure. Obviously, the proposed active deformation control method is of great significance in the respect of theory and engineering to improve the manufacturing capability of aircraft structural parts.
从毛坯制造、结构设计与零件加工相结合的角度,研究飞机结构件“残余应力-结构”耦合变形的“分析-预测-控制”方法。基于加工变形远小于自身几何尺寸这一事实,通过建立零件变形与残余应力再分布力学模型,实现有限元方法与解析法相结合的飞机结构件高速铣削分析方法。研究关键点位置及应力指标的确定方法完成应力分布曲线的线性近似,通过以关键点的应力指标为输入样本,构建零件变形的神经网络预测方法。建立应力幅值最大、零件变形最大但不超过加工要求的多目标应力优化模型,通过多目标向单目标的等价转换,研究优化模型的遗传算法求解技术,为切削上游工艺提供残余应力规范。研究材料去除不对称率的零件变形规律,建立以最小柔顺度为目标、材料保留比为约束的材料分布优化模型,通过灵敏度构造步长函数,提出启发式优化准则求解法,为零件结构设计提供理论依据。这种主动变形控制方法对于提高飞机结构件的制造水平具有重要的科学意义和工程应用价值。

结项摘要

飞机结构件“残余应力-结构”的耦合加工变形预测及结构优化设计方法的主要研究内容及取得的成果如下:.(1)飞机结构件加工变形分析研究.在测量出初始残余应力的基础上,将释放的应力等效为外力,依据弯曲变形理论创新性地建立了零件变形分析模型。零件变形的解析值与仿真值、实测值相比,无论是幅值还是变形曲线,都具有很好的一致性。 .(2)加工位置优化方法研究.为获得零件加工上下余量分配对加工变形的影响规律,提出了加工位置的变向迭代优化方法。利用该方法优化了C919飞机某直梁件的加工余量分配,与企业实际使用的中间位置法相比,加工变形减小了99%。.(3)残余应力控制规范研究 .通过单位力法将分析模型分解为影响因子与残余应力之积,以加工要求为控制限,结合残余应力的自平衡特性建立了残余应力控制规范模型。通过夹逼原则将应力控制模型转化为齐次线性不等式组,并提出了应力控制规范模型的旋转算法求解方法。 .(4)零件结构优化方法研究.从拓扑优化的角度考虑航空整体结构件加工变形控制问题,采用变密度法建立以零件变形最小为设计目标,结构体积为约束的拓扑优化设计模型。通过推导目标与约束关于设计变量的灵敏度,提出拓扑优化设计模型的MMA算法求解技术。.(5)多重夹紧力规划算法研究 .在具有力封闭的前提下,以一定步长选取相邻的两个夹紧力大小或极径,根据力可行的差异确定下一个步长,以步长不超出阈值为终止条件建立了夹紧力规划算法。通过夹紧力规划算法计算工件钻孔时的二重夹紧力,与解析法的计算结果对比分析表明,两者的相对误差最大为0.98%。.(6)淬火残余应力形成机理及调控方法研究.从温度、应力等多场耦合角度,分析了淬火残余应力产生的机理,结果显示:对流换热系数能够对淬火残余应力大小和降温速度产生较大影响,其中,对残余应力的影响主要集中在高温区,而低温区的降温过程不会对最终残余应力形成造成实质影响。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(1)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
基于铝合金板材应力反求与应力评测的飞机结构件加工变形控制新方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国科学 技术科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    秦国华;王华敏;林锋;孙士平;郭翊翔;吴铁军;吴竹溪
  • 通讯作者:
    吴竹溪
面向加工变形控制的航空整体结构件拓扑优化设计方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王华敏;秦国华;胡政;林锋;吴竹溪;韩雄
  • 通讯作者:
    韩雄
基于最大公共子图挖掘和装夹性能分析的夹具耦合设计方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    秦国华;邱剑鹏;王华敏;吴铁军
  • 通讯作者:
    吴铁军
A workpiece stability-based iterative planning of clamping forces for fixturing layout specification of a complex workpiece
基于工件稳定性的夹紧力迭代规划,用于复杂工件的夹具布局规范
  • DOI:
    10.1007/s00170-019-03590-9
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
    International Journal of Advanced Manufacturing Technology
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Wang Huamin;Qin Guohua;Wu Zhuxi;Zuo Dunwen
  • 通讯作者:
    Zuo Dunwen
面向7075-T7451铝合金厚板加工变形控制的变向迭代优化方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    稀有金属材料与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王华敏;秦国华;林锋;左敦稳;韩雄;陈雪梅
  • 通讯作者:
    陈雪梅

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其他文献

基于动力学与遗传算法的工件位置偏离预测与控制方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    秦国华;何志芬;王华敏;肖洁
  • 通讯作者:
    肖洁
二氧化硫对小鼠不同组织器官的氧化损伤作用.
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    环境科学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孟紫强;张波;秦国华
  • 通讯作者:
    秦国华
基于夹具实例信息的定位元件方案自动匹配算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    秦国华;侯源君;路冬
  • 通讯作者:
    路冬
基于材料非均匀性的铝厚板预拉伸残余应力的预测方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国有色金属学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    秦国华;林锋;左敦稳
  • 通讯作者:
    左敦稳
多相多孔材料/结构的集成优化设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    航空学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙士平;张卫红;秦国华
  • 通讯作者:
    秦国华

其他文献

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秦国华的其他基金

基于关键装配特性的离散化夹具概念设计算法研究
  • 批准号:
    51465045
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    地区科学基金项目
复杂零件多重装夹的性能模型、判断准则及设计算法
  • 批准号:
    51165039
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    50.0 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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