飞机进气道喷涂离线编程技术研究

为了解决我国航空制造业中飞机进气道喷涂环境恶劣、效率低下以及涂层精度差等问题,开发一种飞机进气道喷涂离线编程系统。提出利用VC++语言的CATIA二次开发方法,基于喷涂宽度一致原则,根据进气道结构特点和喷涂算法制定了进气道的喷涂轨迹路线;进行了喷涂轨迹的模拟实验,并在模拟中采集并输出喷涂轨迹点三维坐标,将轨迹点三维坐标传输到喷涂机器人控制器即可实现喷涂作业。实际喷涂效果表明:该机器人离线编程系统不仅具有实际可行性,而且具有改善工人工作环境、涂层精度高以及缩短喷涂时间等优点,适用于不同型号飞机的进气道喷涂作业中。     

面向大型工件的拖动示教自动喷涂系统开发

针对国内中小型企业普遍采用人工方式对大型工件进行喷涂作业,产品质量难以保证,且生产环境恶劣,危害工人身体健康这一现状,开发一套可拖动示教的自动喷涂系统。阐述由两台拖动示教机器人和一辆移动架车共同作业的自动喷涂系统的硬件布局和运行方式。基于EtherCAT技术,完成机器人控制系统的硬件平台搭建和软件架构设计,实现机器人的拖动示教和轨迹再现功能。结合机器人的运行特点,实现双机器人与移动架车整体的示教和再现功能,设计系统喷涂示教和自动喷涂的运行流程。根据企业的生产需求,搭建一个针对大型浴缸的自动喷涂系统,并投入车间进行喷涂生产。结果表明:该系统性能可靠,喷涂产品质量良好且品质稳定。     

基于涂层厚度模型的机器人喷涂轨迹规划研究

为了实现大型复杂曲面的喷涂轨迹规划,提出一种基于涂层厚度模型的高铁白车身机器人喷涂轨迹规划方法。基于静态涂层厚度的椭圆双β分布模型,分析喷涂的累计涂层厚度分布规律,提出一种用于评估相对不均匀性的指标RU,并基于RU指标,通过轨迹重叠的方式保证了涂层厚度的一致性。通过曲曲面的分割与合并,实现了喷涂区域的划分,同时基于包围盒法确定了机器人喷涂路径点空间坐标信息。实验结果表明：基于涂层厚度模型的轨迹规划方法能够有效保证喷涂效果的均匀性,并成功应用于高铁白车身的机器人喷涂加工,显著提升了喷涂质量与效率。     

大型风力发电机组四自由度叶片设计及叶型自动生成系统的开发

大型风力发电机组叶片的设计在整个风机设计中占有较大比重,但由于叶片的不规则性导致叶片的三维模型设计较难实现,通过反求方法重构叶片三维模型花费较大,又不能对叶片进行相应的改型,使得分析范围较为局限.为此,利用SolidWorks的二次开发技术开发一套叶片设计系统,分别从叶片半径、弦长、桨距角以及厚弦比4个自由度改变叶片参数,自动生成不同外形的叶片三维设计模型,提高了设计的灵活性,为后续分析提供了有力的支持.     

倾斜喷涂圆弧喷枪新模型的建立与轨迹优化

针对复杂自由曲面中犄角型曲面的喷涂机器人圆弧喷涂轨迹的优化和涂料浪费问题,基于已有的喷枪模型,运用微分几何面积放大定理建立了考虑涂料流量的倾斜喷涂圆弧喷枪新模型。并基于此模型对一具有外犄角特征的组合曲面进行了喷枪变向倾斜喷涂的轨迹规划,建立了喷涂轨迹优化目标函数。最后仿真实验验证了此模型和喷涂方案的有效性和可行性,为完善喷涂机器人离线编程系统提供了依据。     

大型锻件喷涂控制及方法研究

以大型锻件和表面喷涂的广泛应用为背景，针对人工进行喷涂存在效率较低、工人劳动强度高、安全性低、准确性和均匀稳定性不高等问题，运用信息化和智能化技术，设计了一种新型自动喷涂系统及方法。首先建立锻造喷涂系统的运行坐标系，然后在锻造喷涂系统中输入当前喷涂锻件的相关信息和三维模型确定喷涂方案；其次在锻造喷涂系统上设置视觉成像仪器，确定出锻件在锻造喷涂系统的运行坐标系中的位置，将三维模型匹配到锻造喷涂系统的运行坐标系中，最终按照三维模型上确定的喷涂方案对锻件进行喷涂并对不合格的喷涂区域进行二次喷涂。     

基于激光视觉的薄板焊缝跟踪方法研究北大核心

由于示教型焊接机器人在进行汽车薄板件连续焊工艺时存在装夹误差和热变形等问题,导致焊缝实际轨迹与示教轨迹存在较大误差。为提高焊接质量,基于焊接机器人构建激光视觉焊缝检测跟踪系统,提出基于目标估计准则的焊缝跟踪算法,实时跟踪焊缝中心点三维位置变化。以传统图像处理法提取初始帧焊缝特征点,通过改进的孪生神经网络对强干扰下的焊缝特征点进行跟踪提取。通过坐标转换得到机器人基坐标系下的焊缝中心特征点三维坐标。结果表明:该算法能精确提取跟踪焊缝特征点,平均误差为0.48 mm,平均帧率为90帧/s,优于传统图像处理方法和基于相关滤波的方法,能够实现快速准确的跟踪。     

大型风能发电机组叶片反求再设计

叶片的外形设计和翼型的选择等都能影响风机性能和产能效率。提出一种大型风能发电机组叶片反求再设计的原理和方法,通过对大型风能发电机组叶片反求测量、大型风能发电机组叶片逆向CAD建模,寻找几何特征,探索制约叶片形状的基本因素,确定叶片截面参数计算公式,利用所开发的叶片翼型自动生成系统,完成了叶片的再设计,并得到了实际应用。     

大型风能发电机组叶片再设计系统研究

叶片的外形设计和翼型的选择是影响风力机性能和产能效率最为核心的技术。提出了一种大型风能发电机组叶片再设计的原理和方法,对叶片模型进行剖析,寻找几何特征,探索制约叶片形状的基本因素,确定叶片截面参数计算公式,利用所开发的叶片翼型自动生成系统,完成了叶片的再设计,并得到了实际应用。结果表明：这种再设计方法满足产品设计需求。     

大型风能发电机组叶片再设计系统研究（英文）

叶片的外形设计和翼型的选择是影响风力机性能和产能效率最为核心的技术。提出了一种大型风能发电机组叶片再设计的原理和方法,对叶片模型进行剖析,寻找几何特征,探索制约叶片形状的基本因素,确定叶片截面参数计算公式,利用所开发的叶片翼型自动生成系统,完成了叶片的再设计,并得到了实际应用。结果表明:这种再设计方法满足产品设计需求。     

风力机叶片涂层冲蚀磨损实验装置的设计

风力发电机叶片在风沙环境中运行时会受到挟沙风的冲蚀,导致叶片表面涂层损毁并且降低叶片使用寿命,同时也增加叶片的维护成本。为了探究风力机叶片受挟沙风冲蚀磨损情况,研制一种涂层冲蚀磨损实验装置,该实验装置以压缩空气为动力,通过压缩空气气管接通气源。压缩空气在冲蚀管中建立工作压力,在冲蚀管内完成沙料和压缩空气充分混合,形成高速运动的挟沙风;再利用PLC控制步进电动机转速,通过螺旋推进器进行输沙率控制,由冲蚀管喷嘴喷出,喷射到风力机叶片模型表面对其进行冲蚀磨损实验。该冲蚀装置可实现多种冲击风速、携沙量、冲击角度的多工况磨损实验,能够提供较为精确的实验数据。     

风电叶片涂料用树脂研究进展

风电叶片作为风机设备的核心部位,保证其良好运行,既可以提高发电效率,又能降低维护成本.受自然环境的影响,长时间运行的风电叶片往往比较脆弱,尤其是叶片前缘部位,极易受到风沙及雨蚀的损坏,目前最简单有效的方法是使用涂料进行防护.根据风电叶片所处的工作环境特点,提出了对防护涂料的主要要求.介绍了适用于风电叶片防护涂料的基体树脂,包括聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟树脂、有机硅树脂和环氧树脂,并分别详细阐述了它们在风电叶片防护涂料方面的国内外研究进展及目前的应用.聚氨酯和丙烯酸聚氨酯树脂是目前使用最多的树脂,在高低温柔韧性、耐磨性及防风沙雨蚀方面表现优异,而氟树脂和有机硅树脂因优异的耐候性和防覆冰性也受到了越来越多的关注,环氧树脂则可以为叶片底漆提供优异的防腐性能和层间附着力.与使用单一树脂相比,针对不同树脂各自的特点,对它们进行合理搭配,制得的配套涂层体系往往可以达到更好的防护效果,这仍然会是今后的主要研究思路.最后指出了目前风电叶片涂料市场的国内外差距,并展望了风电叶片防护涂料未来的发展方向.     

航空发动机涡轮叶片涡流自动化检测试验研究

涡流检测技术对工件表面或近表面的缺陷有很高的检出灵敏度,且检测线圈不需与被测物直接接触,可进行高速检测,易于实现自动化。针对航空发动机涡轮叶片的复杂曲面人工检测难度大、效率低等问题,研制了一套六自由度机器人涡流自动化检测系统,该系统可自行对其工作空间、工作表面和运动学的工作特性进行分析研究;设计了多种典型涡轮叶片专用弹压式涡流检测探头,可自适应叶片形貌及叶片安装误差;开展了涡轮叶片检测自动扫查检测试验,优化了涡流检测的激励频率和自动扫查速度。结果表明:可弹压式涡流探头对叶片表面缺陷可自适应涡轮叶片的复杂表面,提高了自动化检测的精度,同时弥补提离变化和安装误差。当激励频率为1.25~1.75 MHz、扫查速度为30 mm/s时,检测灵敏度较高,能有效检出缺陷。相比于人工涡流检测方法,该自动化检测系统提高了叶片的检测效率。     

涡轮叶片切削参数研究与仿真

为解决涡轮叶片可选加工参数较多、加工质量与效率难以保证的难题,提出一种涡轮叶片的五轴加工工艺。利用解析分析的方法建立切削力理论模型,对比验证切削力经验公式的模型精度。结合工件受力变形有限元模型,选取优化后的切削参数,并利用可视化软件实现对叶片无偏摆点铣与侧铣程序的编制与仿真。可视化仿真结果表明：该加工工艺及参数下,可获得加工精度较高的叶片表面;点铣法加工精度较高,通用性强,与侧铣法相比效率较低。铣削试验结果表明：仿真表面结果与试验表面在变化规律上吻合良好,证明了所提工艺与参数的有效性,提升了涡轮叶片的制造精度与效率。     

风力机叶片结构设计与数值模拟

采用CFD技术对NACA0018型、NACA63A010型、NACA4412型、NACA23012型4种代表性翼型进行仿真分析,得出其单叶片翼型的压力场、速度场、升力系数和阻力系数变化情况,并对仿真过程中得到的曲线进行分析,得到4种翼型在不同风速工况下的气动特性因数。采用4种翼型中气动性能最优的NACA0018翼型,作为风力机叶片的截面翼型,借助MATLAB和SolidWorks软件完成风力机叶片结构建模。     

叶片质量不平衡对基础环式风机基础服役性能影响研究

风力发电机叶片长期暴露于恶劣的高空环境，极易产生质量不平衡故障，对风力机的稳定可靠运行影响极大。传统的叶片质量不平衡研究主要集中于对风力发电机组功率和塔筒的分析。基础环式基础广泛应用于风力发电机，在循环荷载作用下易发生损伤破坏。因此，基于叶素动量等理论建立考虑叶片质量不平衡故障的基础环式风机基础服役性能评估模型，模型利用解析方法计算质量失衡叶片对基础造成的附加荷载，结合平衡条件和连续性条件，选用大型有限元软件ABAQUS模拟分析叶片质量不平衡故障对风力机基础应力、疲劳寿命以及侧壁混凝土裂缝发展规律的影响。结果发现：质量失衡叶片在水平方向对风力机基础疲劳寿命的影响最大，叶片质量失衡故障会加快基础混凝土损伤过程，增加基础环的水平度，进而降低风力机基础整体服役的可靠性。此外，建议风力机发生较小叶片质量失衡损伤时通过降低转速维持风力机运行，并定期监测叶片质量失衡比。     

Multiscale modelling and simulation of single crystal superalloy turbine blade casting during directional solidification process

As the key parts of an aero-engine,single crystal（SX）superalloy turbine blades have been the focus of much attention.However,casting defects often occur during the manufacturing process of the SX turbine blades.Modeling and simulation technology can help to optimize the manufacturing process of SX blades.Multiscale coupled models were proposed and used to simulate the physical phenomena occurring during the directional solidification（DS）process.Coupled with heat transfer（macroscale）and grain growth（meso-scale）,3D dendritic grain growth was calculated to show the competitive grain growth at micro-scale.SX grain selection behavior was studied by the simulation and experiments.The results show that the geometrical structure and technical parameters had strong influences on the grain selection effectiveness.Based on the coupled models,heat transfer,grain growth and microstructure evolution of a complex hollow SX blade were simulated.Both the simulated and experimental results show that the stray grain occurred at the platform of the SX blade when a constant withdrawal rate was used in manufacturing process.In order to avoid the formation of the stray crystal,the multi-scale coupled models and the withdrawal rate optimized technique were applied to the same SX turbine blade.The modeling results indicated that the optimized variable withdrawal rate can achieve SX blade castings with no stray grains,which was also proved by the experiments.     

风力发电机叶片覆冰机理及防除冰技术研究进展

在“双碳”政策下,绿色能源在能源体系中的占比越来越大。风力发电以其原料来源广、污染少、发电量大等优点成为国家重点发展的方向之一。随着风力发电的快速发展,风力发电机覆冰问题愈发凸显。为了解决这一问题,研究人员基于生物仿生学开发了具有优异防除冰性能的超疏水涂层,并广泛应用。目前,防止风机结冰最常用和最直接的方法是主动加热技术。综述了风力发电机覆冰的基本理论,介绍了覆冰产生的原因及危害,将覆冰抽象为过冷水滴在下降过程中撞击风力发电机叶片并黏附在叶片上,与叶片表面发生复杂热交换后凝结成冰的模型。概述了目前国内外常用的风力发电机防除冰方法,分析了不同被动和主动防除冰技术的优缺点。通过研究工程应用案例发现,单一的被动或主动防除冰技术存在防除冰能力有限、能耗高、效率低等问题,将不同的防除冰技术组合使用、互相补充,更能满足多样化实践需求,成为目前研究的热点和重点。在优化当前防除冰技术的基础上,采用组合防除冰技术具有良好的发展前景。     

Numerical simulation on vacuum solution heat treatment and gas quenching process of a low rhenium-containing Ni-based single crystal turbine blade

Numerical heat-transfer and turbulent lfow model for an industrial high-pressure gas quenching vacuum furnace was established to simulate the heating, holding and gas fan quenching of a low rhenium-bearing Ni-based single crystal turbine blade. The mesh of simpliifed furnace model was built using ifnite volume method and the boundary conditions were set up according to the practical process. Simulation results show that the turbine blade geometry and the mutual shielding among blades have signiifcant inlfuence on the uniformity of the temperature distribution. The temperature distribution at sharp corner, thin wal and corner part is higher than that at thick wal part of blade during heating, and the isotherms show a toroidal line to the center of thick wal. The temperature of sheltered units is lower than that of the remaining part of blade. When there is no shelteration among multiple blades, the temperature distribution for al blades is almost identical. The lfuid velocity ifeld, temperature ifeld and cooling curves of the single and multiple turbine blades during gas fan quenching were also simulated. Modeling results indicate that the loading tray, free outlet and the location of turbine blades have important inlfuences on the lfow ifeld. The high-speed gas lfows out from the nozzle is divided by loading tray, and the free outlet enhanced the two vortex lfow at the end of the furnace door. The closer the blade is to the exhaust outlet and the nozzle, the greater the lfow velocity is and the more adequate the lfow is. The blade geometry has an effect on the cooling for single blade and multiple blades during gas fan quenching, and the effects in double layers differs from that in single layer. For single blade, the cooing rate at thin-waled part is lower than that at thick-waled part, the cooling rate at sharp corner is greater than that at tenon and blade platform, and the temperature at regions close to the internal position is decreased more slowly than that close to the surface. For multiple blades in single layer, the temperature at sharp corner or thin wal in the blade that close to the nozzles is much lower, and the temperature distribution of blades is almost paralel. The cooling rate inside the air current channel is lower than that of at the position near blade platform and tenon, and the effect of blade location to the nozzles on the temperature ifeld inside the blade is lower than that on the blade surface. For multiple blades in double layers, the lfow velocity is low, and the lfow is not uniform for blades in the second-layer due to the shielding of blades in the ifrst-layer. the cooling rate of blades in the second-layer is lower than that in the ifrst-layer. The cooling rate of blade close to the nozzles in the ifrst-layer is the higher than that of blade away from the nozzles in the second-layer, and the temperature distribution on blades in the same layer is almost paralel. The cooling rate in thin wal position of blade away from the nozzles is larger than that in tenon of the blade closer to the nozzles in the same layer. The cooling rate for blades in the second-layer is much lower both in thin wal and tenon for blades away from the nozzles.