基于位移场的涡轮叶片模具设计中的反变形技术研究

为了提高涡轮叶片的成形质量,减少模具的修模次数,提出了一种基于反变形原理的模具优化设计方法。通过使用ProCast软件对涡轮叶片进行铸造过程仿真,利用有限元模型计算涡轮叶片的精铸位移场,建立基于位移场的反变形方法,并使用该方法对模具进行优化设计,经涡轮叶片模具设计仿真试验验证,所采用的方法取得了良好的效果,可初步应用于模具的优化设计中。     

涡轮叶片位移场模型变形特征解耦方法研究

为了有效提高航空发动机精铸涡轮叶片的成形精度,提出一种涡轮叶片位移场模型的变形特征解耦方法。首先通过对批量叶片进行检测,获取型面数据后与叶片设计模型配准及偏差计算得到叶片精铸位移场;在对精铸位移场进行分析和研究的基础上,确定叶片铸件变形的分布规律。研究精铸涡轮叶片的变形特征,通过位移场的解耦分析把精铸位移场中的任意位移矢量分解成收缩误差变形矢量、弯曲变形矢量、扭转变形矢量。分离出的精铸变形特征可应用于精铸涡轮叶片模具型腔优化过程中,对提高模具型腔的设计质量及涡轮叶片的成形精度具有重要意义。     

陶瓷型芯结构对涡轮叶片型面精度影响的仿真研究

在精密铸造成形过程中,陶芯对凝固收缩存在机械阻力,因此,陶瓷型芯的复杂结构对空心涡轮叶片型面尺寸精度有较大的影响。基于精铸数值模拟方法,分析了陶瓷型芯结构对叶片变形影响的规律。借助ProCAST软件对空心涡轮叶片的凝固过程进行仿真,获得变形位移场。分析了由三种不同结构陶瓷型芯所得的位移场,采用位移量变形趋势图对比的方式揭示了陶瓷型芯结构对叶片变形影响的规律,为模具优化提供量化依据。     

精铸涡轮叶片收缩变形的测量与分析

针对精铸涡轮叶片的检测和模具型腔设计中存在的精度控制问题,通过三坐标测量机采集测量数据,利用自行开发的软件对测量数据进行处理,计算得出叶片截面收缩变形的位移,并通过分析所得位移进而得到叶片的收缩变形分布,为叶片精铸模具的型腔优化设计提供了量化的参考依据.     

基于中弧面的叶片模具型腔高质量重构方法研究

针对复杂空心涡轮叶片精密铸造中长期存在的涡轮叶片模具型腔网格模型的光顺重构问题,参照叶片设计方法,提出了基于模具中弧面的型腔光顺重构方法。基于反变形优化的网格模型,提取出网格模型各个截面的中弧线,重构得到光顺的中弧面模型。采用包络线法获得高质量的叶片模具型线,最终得到精确的、光顺的模具型腔。     

基于中弧线的叶片蜡模模具型面优化方法

针对高精度复杂涡轮叶片成形精度难控制的问题,提出了基于叶型中弧线的蜡模模具型腔优化设计方法。对反映中弧线几何特征的参数进行提取与偏差分析后进行逆向迭代,经过对叶型的复原和对叶身的重构,建立优化的蜡模模具型腔,实现了对叶片凝固和冷却过程中非线性变形的补偿。与有限元法模具型腔逆向设计方法相比,无需后续复杂的曲面拼接和光顺技术。采用该方法对某型涡轮叶片蜡模模具型面进行优化,使铸件的尺寸误差得到了大幅度降低。数值模拟与实验结果吻合情况良好,经过4次迭代优化,得到的仿真铸件模型与设计模型的二维偏差平均值由优化前的0.350 94 mm降低至0.111 51 mm。     

涡轮叶片一维气动方案多学科优化设计

涡轮叶片设计过程中涉及气动、几何、结构、材料、强度、温度等多个学科,需要用多学科优化设计方法进行涡轮叶片的设计。本文应用iSIGHT软件和基于精化网格法的自编程序分别进行了涡轮叶片一维气动方案设计。通过对iSIGHT软件中不同算法的求解与对比分析,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计过程中的优化算法选择提供了参考。应用精化网格法编制的多级涡轮叶片优化设计程序,根据发动机总体提出的性能要求与约束条件,计算得到了多级涡轮热态子午流程通道以及涡轮叶片气动三角形等参数,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计提供了初始的设计点。     

高温涡轮叶片变形重构研究

高温涡轮叶片在整个设备可靠运行的过程中起着至关重要的作用,因此在工作状态下监测高温涡轮叶片的变形非常重要。这里将高温涡轮叶片简化为二维梁结构,分析了涡轮叶片的主要变形形式,通过变形重构算法建立了应变-变形的数学模型,搭建了基于FBG的高温涡轮叶片变形检测实验系统,在常温和500℃高温下对叶片施加不同类型的负载,利用光纤光栅传感器检测测点应变并重构叶片的变形;实验结果与ANSYS仿真结果及位移传感器测得的变形结果吻合程度较好,证明了该测量方法和变形重构算法的有效性。     

基于Bezier曲线的涡轮叶片参数化造型及优化设计

定、转子叶片的结构设计决定着涡轮钻具的工作性能。基于Bezier曲线理论方法,结合Turbosystem系统,提出了一套涡轮叶片参数化造型、性能预测到优化设计的完整数值模拟方法,并与试验数据对比验证了该方法的可行性。以Φ127涡轮钻具为例,基于此数值模拟方法,根据速度场和压力场以及叶片输出特性对叶片进行了优化设计,结果表明,优化改善了涡轮叶片工作时压力面、吸力面的脱流和漩涡现象,输出扭矩平均提升了1.022 N·m,效率平均提高了6.14%,涡轮钻具的整体工作性能得到改善。研究可为涡轮钻具叶片的设计和优化提供新的思路和科学依据。     

矿用通风机叶片的结构强度分析

选用9-26№14D型离心式通风机作为研究对象,对其在工作过程中进行了受力分析,结合叶片实际参数,采用PROE和ANSYS软件,建立了通风机叶片的三维模型和有限元仿真模型,基于叶片应力和位移变形的有限元仿真分析。仿真结果显示:该通风机虽然叶片结构强度与刚度均能满足使用要求,但其叶片整体结构应力与位移变形不均匀,有待优化。     

涡轮叶片精铸模具CAD系统参数规则库设计

在涡轮叶片精铸模具CAD系统开发中,参数规则库设计用以解决模具零件参数化造型中专家经验知识的表达问题,并实现系统智能化。针对参数规则的特点,提出一种参数规则库的设计方案,很好地解决了参数规则的知识表达、运算和推理,为涡轮叶片精铸模具CAD系统的开发奠定了基础。     

精铸涡轮叶片的误差分析技术

针对精铸涡轮叶片的检测和模具型腔设计中存在的精度控制问题,运用配准技术来进行误差分析,分别以形心、收缩中心、中心轴线点为特征点,运用CAD模型引导的最临近点迭代ICP(iterative closet point)配准方法,将叶片实际测量数据和CAD模型进行配准。对比配准结果,得到了精铸过程中误差分布,并通过分析叶片的变形情况,得出以形心为特征点时,型面重合度最大,配准效果最好,为叶片精铸模具的型腔设计提供了量化的参考依据。     

基于改进熵权法确定工程材料评价指标的客观权重

以0.3作为指标权重的上限,对传统熵权法进行改进,建立了改进熵权法模型;以燃气涡轮叶片选材为例,选择18种典型的变形合金和铸造合金作为候选材料,确定5种评价指标,根据所建模型得到评价指标的权重,继而采用ITOPSIS法对18种候选材料进行综合评价。结果表明:选出的最佳燃气涡轮叶片材料为Udimet700变形合金,与实际应用选择结果一致,说明改进熵权法确定的客观权重合理、可行;改进熵权法避免了指标权重超大的现象,能够充分体现各指标的重要程度,与客观实际更加贴近,值得推广应用。     

某发动机涡轮导向器精密整体叶盘铸造工艺研究

整体叶盘是现代航空发动机的一种新型结构部件,对于提高航空发动机性能具有重要作用,因此精密整体叶盘铸造技术是未来航空发动机制造的关键技术。在分析某发动机涡轮导向器整体叶盘铸造工艺性能的基础上,设计了浇注系统,并经相关的试验验证,解决了叶片欠铸问题,最终确定了铸造工艺参数,为精密整体叶盘铸造技术的进一步发展积累了经验。     

Geometric parameter-based optimization of the die profile for the investment casting of aerofoil-shaped turbine blades

Dimensional accuracy is one of the most important criteria in the investment casting of turbine blades for aero engine applications. Although investment casting is an ideal route for producing net-shaped components, it necessitates accurate determination of the casting die profile. To avoid extensive modifications on the die cavity shape, this study proposes a simple but efficient inverse design method that adjusts certain geometric parameters to establish the die profile. Parameterized modeling is achieved by identifying the geometric parameters that describe the mean camber line of the blade profile. Meanwhile, blade shrinkages at different positions are effectively remedied through the adjustment of the parameters using the inverse iteration algorithm proposed in this paper. The relative positions among the cross-sections can also be varied to rectify the twist deformation of the blade, thereby guaranteeing the dimensional accuracy of the turbine blades. The applicability of this method is validated using numerical simulation data and experimental results.     

汽轮机叶片精锻模具预补偿方法研究

针对汽轮机叶片加工精度要求高、精锻模具误差补偿难度大以及加工效率低等问题,以某型号汽轮机叶片为例,利用DEFORM-3D数值模拟软件分别对叶片精锻模具Z=5 mm叶根截面、Z=35 mm叶身截面以及Z=75 mm叶尖截面在不同锻压步数下的弹性变形进行了模拟分析,得出精锻模具型腔曲面变形规律。基于数值模拟结果,提出利用反向迭代补偿与黄金分割相结合的方法来修正精锻模具型腔。以该汽轮机叶片最大允许误差80μm为迭代目标,采用黄金分割法调整迭代区间,对各迭代点进行仿真,确定最优修正系数为0.94,最后得到满足终锻叶片精度要求的合理模具型腔,大大提高了模具设计质量与效率。     

基于涡轮叶片有限元分析离散数据点的NURBS曲面重构

为解决有限元方法产生的三角网格数据不利于进行后续的曲面编辑和加工的问题，提出了一套算法将有限元网格逼近为造型和加工常用的NURBS曲面。首先对有限元网格进行预处理，提取出边界曲线并构造出初始曲面；通过基于曲率的自由曲面抽样网格规划方法，将海量离散数据点进行压缩及建立四边域网格，方法具有自组织和压缩比率用户可控等特点；采用迭代逼近的方法进行NURBS曲面拟合，在保证拟合精度的前提下提高了曲面光顺性。对真实叶片数据的处理证明了算法的实用性。     

变壁厚涡轮冷却叶片参数化造型设计

提出了一种基于函数解析的变壁厚涡轮冷却叶片参数化设计方法。根据叶片外型线上定义的若干参数点,采用三次样条插值方法得到叶片壁面厚度分布函数,再通过计算得到冷却通道型线上离散数据点,在CAD平台下建立了变壁厚涡轮冷却叶片参数化模型。为实现涡轮冷却叶片的自动设计优化和多学科设计优化,获得更佳的叶片设计方案奠定了基础。     

3D打印砂模的结构优化设计方法研究

砂模3D打印是一种快速发展的砂模智能制造技术,能够对任意复杂形体进行几何造型。在实际应用中,砂模造型设计仍沿用传统设计思想,尚未充分发挥3D打印所带来的技术优势。由于传统砂模几何形体中存在冗余结构,直接影响打印效率,因此有必要结合3D打印技术优势对砂模结构进行设计优化,以提高生产效率、节约生产成本。在新工艺环境下,本文建立了一种砂模结构优化设计方法及其设计流程;以砂模壁厚作为优化参数,依据力学性能要求,建立了砂模结构优化设计模型;最终基于某厂铸造试验件进行了范例设计与仿真校核。优化设计后的试验件砂模在满足力学性能要求的前提下,体积优化率达到42.6%,有效提升3D打印砂模的生产效率与经济性。