本发明涉及特种机械制造，具体地，涉及一种基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法和系统。
背景技术：
1、喷丸成形包括机械喷丸成形、激光喷丸成形、超声喷丸成形等，其利用特定能量源形成的冲击压力作用于金属板材表面，形成微塑性变形并产生残余应力，通过多点塑性变形的累积实现壁板整体的小曲率弯曲变形，是一种无模柔性多点成形工艺。喷丸成形具有形状适应性强、工艺周期短、可改善构件力学性能等显著优点，是大型整体构件成形制造首选甚至唯一的技术途径。喷丸成形没有确定的模具限制工件形状，因而对工艺参数选取的准确性要求极高。目前公开的喷丸成形工艺参数设计方法，在设计效率、鲁棒性、准确性等方面均有明显局限，难以满足航空、航天等领域大量不同类型复杂整体壁板构件的成形参数设计需求。因此，复杂整体壁板的喷丸成形工艺参数设计，亟待设计方法的进一步创新。
2、专利文献cn103433854a(申请号：cn201310384814.5)公开了一种整体壁板的数字化喷丸成形方法，首先采用壁板展开方法提取分析整体壁板的几何特征，进而确定不同的喷丸路径，按照不同曲率进行划分并确定喷丸速度进行喷丸，在得到最终成形的整体壁板板坯件后，根据残余应力值大小通过almen试片试验得到特征线点列和特征点对应的弹丸速度。该专利确定喷丸路径和喷丸工艺参数的方式，完全基于对整体壁板几何与材料特性的分析，不对应激光喷丸的实际弯曲过程，设计准确性较差，计算效率难以满足实际需求，无法满足复杂曲面的参数设计需求。
3、专利文献cn104899345a(申请号：cn201510102659.2)公开了一种用于确定复杂曲面形状工件激光喷丸成形工艺参数的方法，包括如下步骤：基于工件曲面参数方程，对工件曲面的几何特征进行分析，计算得到主应变方向，进而得到激光喷丸成形中激光脉冲扫描方向；以深度方向固有应变分布为变形来源，建立板件弯曲变形有限元模型；通过固有应变场优化，得到工件不同位置沿深度方向固有应变分布；根据固有应变响应面模型以及工件不同位置深度方向的固有应变，优化激光喷丸成形工艺参数，获得与工件表面不同固有应变场相对应的最佳激光喷丸成形工艺参数。然而，由于固有应变与变形不是双射关系，该专利所提出的方法一般不会得到确定解，并且对于部分曲面无法得到固有应变分布。
4、专利文献cn110543654a(申请号：cn201910567345.8)公开了一种激光喷丸成形复杂曲面分布式工艺参数的确定方法，包括如下步骤：基于薄板理论建立挠度曲面与固有矩的函数关系，以分布式的固有矩函数为设计变量，建立基于偏微分方程约束的最优化模型；根据工件的曲面参数方程或曲面坐标，将目标曲面离散并选择合适的优化算法求解优化模型，计算分布式的固有矩；根据分布式的固有矩的大小分成若便于工艺操作的等参区域，确定在每一个区域的激光喷丸成形扫描方案；通过实验建立工艺参数与固有矩对应的工艺数据库，确定实验工艺参数，结合残余应力需求，确定最佳分布式工艺参数。该专利基于固有矩控制方程形成偏微分方程优化模型，存在求解效率低、规划鲁棒性不足等问题。
5、专利文献cn116595827b(申请号：2023104920577)公开了一种无限维度条带喷丸成形工艺规划方法和系统，包括如下步骤：标定不同工艺参数对应的几何变形与中间变量；将目标曲面数据转换为离散网格；选取当前曲面的优化初始参数，并设计条带的分布方向；构建无限维度条带喷丸成形的数值模拟计算框架；建立工艺参数优化设计模型，获取最优中间变量分布，确定目标壁板成形对应的喷丸工艺参数。但是该方法将喷丸区域预设为条带形状，进而优化条带型喷丸区域的喷丸强度与分布，只适用于类柱型壁板。
6、综上所述，目前公开的喷丸成形工艺参数设计方法均基于优化模型，在设计准确性、规划鲁棒性、曲面适用性等方面均存在不足，难以满足复杂整体壁板成形的参数设计需求，因而，仍需要在参数设计方法上形成创新突破。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法和系统。
2、根据本发明提供的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法，包括：
3、步骤s1：建立固有矩主分量-曲面任一点主曲率的解析关系；
4、步骤s2：基于壁板的几何面型与厚度，计算壁板表面不同位置的主曲率与主曲率方向，基于主曲率反求获得高度离散固有矩场，根据单元的主曲率方向，设计喷丸扫描方向；
5、步骤s3：采用聚类或优化方法，将包含连续变化数值的高度离散固有矩场转换为仅包含预设少数量不同数值的低度离散固有矩场；
6、步骤s4：基于工艺数据库，使用固有矩分解模型，将经过聚类或优化的低度离散固有矩场分解为两个工艺可得的固有矩场；
7、步骤s5：根据分解后的两个工艺可得的固有矩场，以及工艺数据库，确定目标壁板成形对应的实际喷丸工艺参数，得到最终的工艺规划结果。
8、优选地，所述步骤s1中，固有矩主分量-曲面任一点主曲率的解析关系为：
9、其中，x、y为主曲率方向；κx、κy为x、y向的曲率即主曲率；h为壁板厚度；为x、y向的固有矩，均为主分量；
10、激光扫描方向始终与空间曲面最小主曲率方向一致。
11、优选地，所述步骤s2中，计算主曲率的方法为：对于表达式已知的空间曲面，通过微分几何方法计算其主曲率与主曲率方向；对于表达式未知的空间曲面，先将其离散为空间曲面网格，再通过数值方法计算每个网格单元的主曲率与主曲率方向，进而获得曲面的主曲率数值分布与主曲率方向。
12、优选地，所述步骤s3中，针对曲率变化相对平缓的曲面，采用k-means、k-means++、密度聚类算法实现固有矩场数值聚集；针对曲率变化相对复杂的曲面，采用数值优化方法实现固有矩场数值聚集，基于固有矩控制方程，以挠度偏差最小为目标，优化设计域内的固有矩取值与分布；
13、高度离散固有矩场包含n个不同数值，低度离散固有矩场包含n个不同数值，且n>>n。
14、优选地，所述步骤s4中，将低度离散固有矩场分解为两个工艺可得的固有矩场的固有矩分解模型为：
15、
16、其中，为经过聚类或优化获得的低度离散固有矩场，包含n个不同数值；为分解后的固有矩，分别作用于板件的上表面与下表面，均包含n个不同数值；p为权重，根据优化结果进行调整；均为工艺数据库中的固有矩；
17、采用离散优化算法，包括枚举法、分支定界法、遗传算法对模型进行求解。
18、根据本发明提供的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定系统，包括：
19、模块m1：建立固有矩主分量-曲面任一点主曲率的解析关系；
20、模块m2：基于壁板的几何面型与厚度，计算壁板表面不同位置的主曲率与主曲率方向，基于主曲率反求获得高度离散固有矩场，根据单元的主曲率方向，设计喷丸扫描方向；
21、模块m3：采用聚类或优化方法，将包含连续变化数值的高度离散固有矩场转换为仅包含预设少数量不同数值的低度离散固有矩场；
22、模块m4：基于工艺数据库，使用固有矩分解模型，将经过聚类或优化的低度离散固有矩场分解为两个工艺可得的固有矩场；
23、模块m5：根据分解后的两个工艺可得的固有矩场，以及工艺数据库，确定目标壁板成形对应的实际喷丸工艺参数，得到最终的工艺规划结果。
24、优选地，所述模块m1中，固有矩主分量-曲面任一点主曲率的解析关系为：
25、其中，x、y为主曲率方向；κx、κy为x、y向的曲率即主曲率；h为壁板厚度；为x、y向的固有矩，均为主分量；
26、激光扫描方向始终与空间曲面最小主曲率方向一致。
27、优选地，所述模块m2中，计算主曲率的方法为：对于表达式已知的空间曲面，通过微分几何方法计算其主曲率与主曲率方向；对于表达式未知的空间曲面，先将其离散为空间曲面网格，再通过数值方法计算每个网格单元的主曲率与主曲率方向，进而获得曲面的主曲率数值分布与主曲率方向。
28、优选地，所述模块m3中，针对曲率变化相对平缓的曲面，采用k-means、k-means++、密度聚类算法实现固有矩场数值聚集；针对曲率变化相对复杂的曲面，采用数值优化方法实现固有矩场数值聚集，基于固有矩控制方程，以挠度偏差最小为目标，优化设计域内的固有矩取值与分布；
29、高度离散固有矩场包含n个不同数值，低度离散固有矩场包含n个不同数值，且n>>n。
30、优选地，所述模块m4中，将低度离散固有矩场分解为两个工艺可得的固有矩场的固有矩分解模型为：
31、
32、其中，为经过聚类或优化获得的低度离散固有矩场，包含n个不同数值；为分解后的固有矩，分别作用于板件的上表面与下表面，均包含n个不同数值；p为权重，根据优化结果进行调整；均为工艺数据库中的固有矩；
33、采用离散优化算法，包括枚举法、分支定界法、遗传算法对模型进行求解。
34、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
35、(1)本发明基于解析模型实现工艺参数设计，避免在包含大量单元的设计域内迭代寻优出现计算爆炸问题，反求效率高；并且，基于曲率解析反求固有矩，由于曲率为几何不变量，避免了反求结果受到曲面摆放位姿的影响，鲁棒性更好；
36、(2)本发明采用固有矩作为中间设计变量，固有矩具有明确的物理意义，准确描述了喷丸成形板件的弯曲变形行为，因而解析反求的固有矩可以与工艺参数有效关联，相较于以往基于大量经验标定实验来关联喷丸强度与弯曲形状，本发明的准确性更高，可解释性更好；
37、(3)本发明通过构建完备的工艺数据库实现固有矩与工艺参数的关联映射，完备的工艺数据库为工艺参数的选取提供多种选择方案，实际规划可以在充分考虑残余应力需求的前提下，选取合适的工艺参数，以实现壁板成形的形性协调控制。
1.一种基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法，其特征在于，所述步骤s1中，固有矩主分量-曲面任一点主曲率的解析关系为：
3.根据权利要求1所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法，其特征在于，所述步骤s2中，计算主曲率的方法为：对于表达式已知的空间曲面，通过微分几何方法计算其主曲率与主曲率方向；对于表达式未知的空间曲面，先将其离散为空间曲面网格，再通过数值方法计算每个网格单元的主曲率与主曲率方向，进而获得曲面的主曲率数值分布与主曲率方向。
4.根据权利要求1所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法，其特征在于，所述步骤s3中，针对曲率变化相对平缓的曲面，采用k-means、k-means++、密度聚类算法实现固有矩场数值聚集；针对曲率变化相对复杂的曲面，采用数值优化方法实现固有矩场数值聚集，基于固有矩控制方程，以挠度偏差最小为目标，优化设计域内的固有矩取值与分布；
5.根据权利要求1所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定方法，其特征在于，所述步骤s4中，将低度离散固有矩场分解为两个工艺可得的固有矩场的固有矩分解模型为：
6.一种基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定系统，其特征在于，所述模块m1中，固有矩主分量-曲面任一点主曲率的解析关系为：
8.根据权利要求6所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定系统，其特征在于，所述模块m2中，计算主曲率的方法为：对于表达式已知的空间曲面，通过微分几何方法计算其主曲率与主曲率方向；对于表达式未知的空间曲面，先将其离散为空间曲面网格，再通过数值方法计算每个网格单元的主曲率与主曲率方向，进而获得曲面的主曲率数值分布与主曲率方向。
9.根据权利要求6所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定系统，其特征在于，所述模块m3中，针对曲率变化相对平缓的曲面，采用k-means、k-means++、密度聚类算法实现固有矩场数值聚集；针对曲率变化相对复杂的曲面，采用数值优化方法实现固有矩场数值聚集，基于固有矩控制方程，以挠度偏差最小为目标，优化设计域内的固有矩取值与分布；
10.根据权利要求6所述的基于解析模型的壁板喷丸成形工艺参数确定系统，其特征在于，所述模块m4中，将低度离散固有矩场分解为两个工艺可得的固有矩场的固有矩分解模型为：
