弯曲过程模拟控制综合实验

实验项目名称弯曲过程模拟控制综合实验实验学时24指导教师朱莉实验地点航空楼D座102室实验对象机电类专业本科生可选人数8《弯曲过程模拟控制综合实验》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：05700802、课程名称（中/英文）：弯曲过程模拟控制综合实验/IntegratedExperimentofSimulationandControlfortheBendingProcedure3、学时/学分：24/4、先修课程：材料力学、线性代数、计算方法、c程序设计、金属塑性成形原理、飞机钣金成形工艺，0610010/1120050/1120060/0520070/0530010/05300205、面向对象：飞行器制造工程、材料成型及控制工程专业本科生6、开课院（系）：机电学院航空宇航制造工程系7、教材、教学参考书：《弯曲模拟控制综合实验讲义》朱莉、王仲奇2005.12.《计算机辅助塑性成形》马泽恩西北工业大学出版社1995.5.《MATLAB与科学计算》王沫然编著电子工业出版社,2003.9.《材料力学》刘鸿文编著高等教育出版社,1988.10.二、课程性质和任务课程性质：专业选修课（综合实验）任务：本实验是以飞行器制造工程、材料成型及控制工程专业的本科教学计划和人才培养目标为依据，在专业的科学研究工作中提炼出的一项综合性实验。本实1验亦是一门展现计算机辅助塑性成形技术的综合性实验技术课程。学生通过实验将利用计算机对塑性成形过程进行分析、模拟及数控，从而进一步深入地学习掌握塑性成形理论在实践中的应用，从中学习先进的开发思想与方法。实验针对板材压弯成形工艺，重点研究弯曲回弹问题。要求测定材料在弯曲状态下的力学性质，包括加载和卸载两种情况。在后续实验中运用该性质对压弯成形中的载荷-位移关系求得数值解。从而形成对整个弯曲过程的模拟，最终实现在考虑回弹补偿的情况下完成对压弯过程的控制。三、实验（上机）内容和基本要求1.计算机辅助压弯成形（讲课）：4学时（1）弯曲成形中的回弹问题、纯弯曲模型（2）数据处理、曲线拟合、带约束的最小二乘法（3）数值模拟（4）自适应控制2.测定弯曲状态下相关试验材料的力学性质12学时（1）利用近似纯弯曲装置测取板料在弯曲状态下有关力学性能的实验数据；；（2）数据转换处理（编程）；（3）曲线拟合（要求分段且分段点连续）（编程），最终获取弯曲状态下板料回弹前、后相对应的弯矩与曲率的解析关系式Kp=F(m);Kf=G(Kp)。3．压弯过程的计算机模拟4学时（1）写出近纯弯曲的数学模型：（2）根据实验条件，设置并调整压弯工艺参数，利用求取的弯矩与曲率的解析关系式进行压弯过程的模拟，获取压弯过程的控制参数；4．压弯过程的计算机控制：4学时2（1）将经过计算机模拟得到的控制参数处理成控制函数；（2）按控制函数完成压弯实验，（3）测量试件弯曲角度，分析实验误差。四、各教学环节学时分配学时讲课习题课讨论课实验课其他合计实验42024五、对学生能力培养的要求通过具有新知识、新技术内容的实验命题培养学生的学习能力。要求学生能够针对实验命题查阅资料，重温学过的课程，自主学习新的知识，具备综合应用相关知识来解决实验的基础理论，学生只有通过应用所学的知识在实验中实际地解决问题，才会带来乐趣与成就感；通过完成各部分试验任务培养学生的动手能力、研究能力。要求学生具有钻研精神，具有在实践中发现问题，研究问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生创新能力。通过试验任务分工和各环节的协作培养学生的组织管理和团结协作的工作能力。要求学生在实验中具有良好的工程素质和科学态度。通过撰写实验报告培养学生总体分析、概括总结的能力。六、其它说明1．实验学时（编程部分）按课内、课外1：1配合使用。这样可以达到理想的实验效果。七．考核方法：实验报告（含软件）：50％实验动手能力：30％实验考勤：20％项目3撰写人：朱莉制定日期：西北工业大学讲义弯曲过程模拟控制综合实验朱莉王仲奇主编4西北工业大学教务处西北工业大学机电学院1引言近年来，一些技术先进国家已将智能化的研究越来越多地引入了金属塑性加工的研究领域，板材冲压成形的智能化，是控制科学、计算机科学与板材成形理论有机结合的综合性技术。其突出特点是，根据被加工对象的特征，利用易于监测的物理量，在线识别材料的性能参数，预测最优的工艺参数，并自动以最优的工艺参数完成板材成形过程。板料成形过程中普遍存在有回弹问题，特别在弯曲和浅拉深过程中回弹现象更为严重。板材冲压成形智能化技术的研究在最初的十多年间，全部集中在弯曲成形的回弹控制方面。冲压成形智能化技术总的发展趋势是：以简单的弯曲成形的研究将智能化的概念和方法引入板材的成形领域，探索研究途径，再以轴对称壳体零件的冲压成形智能化研究为过渡，最终实现对大型复杂曲面形状零件成形过程的智能化控制。弯曲过程模拟控制综合实验是在飞行器制造工程专业马泽恩教授主持的国家自然科学基金“塑性成形动态随机模拟”项目[1]中的研究成果基础上，根据本科生的能力、特点提炼出来的。实验选取的是典型的压弯工艺，其中引入了专家学者多年来对回弹问题的研究成果。借助于这一实验，学生可以深入进行弯曲理论的学习，掌握回弹的解析分析方法，进而完成对弯曲成形过程的模拟以及对弯曲成形过程的实时控制。2压弯工艺2.1.压弯工艺特点将板料毛坯、型材或管材弯成具有一定曲率、一定角度和形状的零件，这种成形称为弯曲成形。根据弯曲成形所用的工模具及设备的不同可分成不同的弯曲方法[2][3]，比如在普通压力机上使用弯曲模的压弯、折弯机上的折弯、滚弯机上的滚弯、拉弯机上的拉弯、绕弯等。而压弯（brakebending）是所有钣金成形中最为简便、应用也最为广泛的一种。据有关调查报告表明：飞机上的铝合金钣金件有一半以上在成形中采用压弯成形的方法。由此可见，压弯工艺在飞机制造业中起着重要的作用。2.2.回弹控制方法研究现状很多固体材料，在某种范围内的载荷作用下表现出弹性反应。此时物体所产生的变形，在载荷卸除后可以完全消失。这种变形称为弹性变形（elasticdeformation）。然而经常又可观察到与此不同的情况。比如载荷超过某种限度后，既使卸去载荷，物体也不能恢复原状而保留某种残余变形，或者是物体的变形随着承载时间的延续而增长，尽管在此时间内载荷的大小保持不变，在卸载后变形1不能恢复或不能立即恢复。这些变形都称之为非弹性变形（inelasticdeformation）。在非弹性变形中，与载荷大小有关的称为塑性变形（plasticdeformation），与时间长短有关的称为粘性变形（viscousdeformation）。所有固体材料，在塑性变形阶段总包含着一定程度的弹性变形，对于许多材料，粘性性质同时存在于弹性与塑性两个阶段。各种金属塑性成形加工(metalformingprocesses)都是利用上述固体材料的塑性或是粘—塑性变形，并且创造出有利于这些变形的各种条件。然而，已经塑性成形的工件在卸载后，其外形与尺寸会因弹性变形的恢复而发生某种程度的变化。这种变化通常称为回弹（springback）。在断面刚度小而加工精度要求高的板材塑性成形（sheetmetalforming）中，回弹是要认真对待的。压弯和任何一种塑性变形一样，在外载作用下，工件产生的变形由塑性和弹性两部分组成。当外载去除后，毛坯的塑性变形保留下来，而弹性变形消失，使其形状和尺寸都发生与加载变形方向相反的变化而产生相应回弹。压弯成形中影响回弹的因素主要有以下几点：1.凸模位移：凸模下降的位移量，直接影响着产品的成形角。2.模具尺寸：包括凹模模口的宽度，模口圆角半径等。3.材料性质和板厚。4.模具与板料之间的摩擦与润滑。5.机床、模具的工作状况。图1由于影响回弹的各因素作用相当复杂，在现有的理论分析中不得不做出各种简化假定，以致理论分析结果与实际状况存在一定的差距。因而，仍然需要依靠工程技术人员根据经验以及对机床的多次调整来确定合适的下死点位置，以弯出符合要求的成形角。这就是通常所说的试压。在弯曲成形中传统的回弹控制方法有：拉弯法、加压矫正法、模具补偿法、过弯曲法等，根据零件形状和弯曲工艺的不同可选择不同的方法来控制回弹。模具补偿法和过弯曲法是两种基本的回弹控制方法，前者适用于模具弯曲，后者适用于自由弯曲。而目前Yang、Stelson、Kwok等人[7-9]突破一般理论预测和工艺实验方法，将两者有机结合，实现了自由弯曲中回弹的自适应控制。2上述方法的关键点是：在零件开始弯曲的一段过程中实时测量弯曲力—凸模位移曲线，这一过程实质上是把工艺试验直接嵌入到了生产过程之中，由此基本消除了由材料特性离散性而引起的回弹预测误差。在测得实时力—位移曲线后，可有多种方法实现后续弯曲过程的实时控制。Yang[7]通过将实时曲线与试验数据库所存曲线相比较，应用模糊推理机制实现弯曲的实时控制。Stelson[8]和Kwok[9]则将实时力—位移曲线交由计算机处理得到曲率—弯矩方程，进而计算得到凸模下行的过弯曲位置。以上自适应弯曲控制的最大优势在于不必进行专门的工艺试验，对不同特性和不同厚度的板料均可以一次弯曲成形，具有良好的应用前景。3实验目的弯曲过程模拟控制综合实验是一门具有典型性，先进性，实用性的综合性实验技术课程。实验展现了计算机辅助塑性成形领域中的前沿趋向。在整个弯曲过程模拟控制综合实验中，考虑到时间因素并非压弯成形中的主导因素，因而不计粘性效应。本实验的目的是在忽略粘性的条件下，测定材料在弯曲状态下的力学性质，包括加载和卸载两种情况。在后续实验中将运用此性质，对压弯成形中的载荷—位移关系求得数值解（numericalsolution），从而形成对整个弯曲成形过程的模拟（simulation）。通过这一模拟，可以精细地显示出各种模具和工艺参数对弯曲件形状与弯曲载荷的影响。在此基础上，实现对复杂弯曲件成形工艺过程的计算机辅助设计（computer-aidedprocessp1anning，或简写为CAPP），最终在考虑回弹补偿的情况下，完成对压弯过程的数控（numericalcontrol，或简写为NC）。在完成对弯曲的在线参数识别（on-lineparameteridentification）研究后，将可进而实现对弯曲的自适应控制（adaptivecontro1）。本实验通过上述弯曲过程模拟控制的全过程，使学生了解板材冲压成形的智能化技术在金属塑性成形领域中实际应用，学习和掌握其中科学研究的方法，锻炼自身分析解决问题的能力，巩固已学知识，提高自学能力，自觉地在实验研究工作中培养实事求是和开拓创新的精神。4实验内容及要求本实验以压弯零件为对象提出了一套完整的弯曲成形过程模拟控制的实验方案及要求，整个实验共分为三大部分：34．1．第一部分：在弯曲状态下材料力学性质的测定4．1．1．预备知识4.1.1.1.材料的力学性质材料在发生塑性变形后，应力与应变之间的关系比弹性变形阶段大为复杂。表现为(1)加载时应力与应变之间呈非线性关系，此种关系在常温下一般表现为应力是应变的单调增函数，此函数的斜率随应变的增加而减小。(2)卸载时应力与应变之间出现弹性关系，在反向加载至屈服时所谓Bauschinger效应的弱化现象。(3)应力与应变之间不是由现时值唯一确定的，而必须考虑以往的变形过程，即加载路径或加载历史。至于塑性变形中应力与应变之间的定量关系，则视不同的材料性质而异。为了说明各种材料在塑性变形中的基本力学特征，最普遍的方法是进行单向拉伸实验（有时也可进行单向压缩实验），得出各种材料图2应力-应变曲线不同的应力一应变曲线（图2），并表示为)(f。为了确定在一般应力状态下的应力应变曲线，通常假定可将单向拉伸（或压缩）的应力～应变曲线扩展为等效应力（i）～等效应变（i）曲线，即有)(iif（1）上述假定有时被形象地称为单一曲线假定。根据这一假定，通过（1）式可求得塑性弯曲时的弯矩—曲率关系。在纯弯曲状态下，推导这一关系尤为方便。所谓纯弯曲是指整个弯曲试件，在施加于其两端的大