一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法與流程
2023-06-01 13:36:41 5
本發明涉及蠟模充型技術領域，尤指一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法。
背景技術：
目前空心渦輪葉片通常採用熔模精密鑄造的成型方法製備。該製備方法通常在模具內放置陶瓷型芯以製備空心蠟模，並經過制殼、脫蠟、澆注以及去殼脫芯等步驟，形成具有內腔型面的空心葉片。空心渦輪葉片內、外型面之間的壁厚是保證其強度以及冷卻效率的重要指標，也是保證其服役壽命的重要參數。相關學者對不同型號的渦輪葉片失效原因的研究表明，「壁厚」是導致葉片失效的最主要原因之一。因此，確保渦輪葉片壁厚合格成為我國航空發動機技術亟待解決的問題之一。
研究發現，精密鑄造蠟模的壁厚精度對鑄件最終的壁厚精度有著直接而主要的影響，因此，製備壁厚精度合格的蠟模是製備壁厚合格葉片的首要條件。精鑄蠟模壁厚主要通過蠟模成型過程中陶芯與模具之間精確獨一的位置匹配關係進行保證，通常在模具中設計定位元件和夾緊元件以約束陶芯在蠟料流動過程中的空間位姿。
針對陶芯夾緊元件的位置布局，工程實踐中通常採用與定位元件對稱分布的方式。由於國內陶芯製備尺寸偏差大，若夾緊元件與陶芯採用接觸的方式以約束陶芯位置，合模時可能導致陶芯被壓碎或無法合模。工程中在批量化壓制蠟模時，通常人工手動下調夾緊元件直至與陶芯接觸，然後再回退一定的距離，一般為陶芯製造的上公差限，以避免符合製造公差的陶芯被壓碎，即夾緊元件與陶芯型面之間有一定的間隙。而正是由於該間隙的存在，使得陶芯在蠟料填充型腔時受蠟料流動影響在狹小的空間內易產生運動漂移，從而引起蠟模壁厚偏差。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法，實現陶芯夾緊元件的優化布局。
本發明提供的技術方案如下：一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法，陶芯被夾緊元件以及定位元件約束，以維持所述陶芯在蠟模充型過程中的位置。
S10，對蠟模充型過程進行流動仿真分析；
S20，從所述流動仿真分析結果中提取所述蠟模充型過程中的蠟料與所述陶芯接觸面處的有限元節點ID及其坐標，通過注塑成型仿真計算所述蠟模充型過程中所述陶芯受力的動態變化情況；
S30，將所述陶芯、所述定位元件、所述夾緊元件均視為剛體，採用彈簧阻尼模型計算所述陶芯與所述定位元件之間的第一接觸碰撞力以及所述陶芯與所述夾緊元件之間的第二接觸碰撞力；然後通過運動仿真計算所述陶芯在重力、所述第一接觸碰撞力、所述第二接觸碰撞力、蠟料流動作用力及力矩作用下的動態漂移位移場；
S40，在所述陶芯的葉尖和葉根截面處選取若干個監測點，在所述步驟S30建立的動態漂移位移場獲得若干個所述監測點的位置矢量，每個所述監測點的位移量為所述蠟模充型過程前後的所述位置矢量之差，每個所述監測點的位移量之和為所述陶芯的運動漂移指示量，通過遺傳算法尋找所述運動漂移指示量最小時對應的所述夾緊元件布局。
通過流動仿真分析、注塑成型仿真計算受力，運動仿真獲得動態漂移位移場，最終基於動態漂移位移場通過應用遺傳算法確定所述運動漂移指示量最小時所述夾緊元件的位置，這一系列連續步驟，實現了夾緊元件布局位置的優選，有效控制蠟模充型過程中陶芯的漂移，使得精鑄葉片蠟型的壁厚偏差得到有效的把控。
優選的，所述步驟S40中，所述遺傳算法選用排序的賭輪盤選擇算子、自適應的交叉、變異算子以及引入精英策略中的一種或幾種進行優化。如此可以提高遺傳算法的搜索效率。
優選的，還包括步驟S01，即結合工藝要求規劃所述夾緊元件的候選布局位置。
具體的，所述步驟S30的所述運動仿真計算過程以及所述步驟S40通過UG motion實現。所述步驟S10中使用Moldflow有限元分析軟體進行流動仿真分析。
所述步驟S20包括以下分步驟：
S21，從Moldflow有限元分析軟體獲得的流動仿真分析結果中提取所述蠟模充型過程中使用的蠟料與所述陶芯的接觸面處的有限元節點ID及其坐標，其中提取的有限元為三角形單元，設定三角形單元的個數為k個,將第i個三角形單元表示為三角形單元i，i＝1、2、3、4……k；
S22，針對所述蠟模充型過程中的某一時刻，提取所述三角形單元i上節點的坐標及壓力值(pi1，pi2，pi3)；
S23，根據形函數插值法計算三角形單元i內部任一點的壓力值，通過積分計算得三角形單元i上的力fi，並將其作用在所述三角形單元i的重心處；
S24，計算所述三角形單元i的重心坐標，並根據所述重心坐標從幾何模型中提取法向矢量ni，即力fi的方向；
S25，所述三角形單元i上的等效力矢量fi＇＝fini。將全部k個三角形單元上的等效力合成至所述陶芯質心處即得所述某一時刻所述陶芯受到的合力FC＝∑fi＇及合力矩MC＝∑MC(fi＇)。
S26，根據Moldflow提供的時間間隔，重複步驟S22、步驟S23、步驟S24、步驟S25計算所述蠟模充型過程中每一時刻所述陶芯所受的力，獲得所述陶芯在所述蠟模充型過程中的受力動態變化情況。
具體的，所述步驟S30中包括以下分步驟：
S31，創建運動分析物理模型，將被視為剛體所述陶芯、所述定位元件、所述夾緊元件賦予質量屬性；
S32，對所述陶芯質心處施加隨時間變化的力、力矩以及重力；
S33，設置求解器參數，其中：解算方案為常規驅動，分析類型為運動學；時間為蠟料填充時間；步數為填充時間x100；
S34，進行剛體動力學分析得到所述陶芯的動態運動漂移位移場，並分析得出所述蠟模充型過程中所述陶芯的最終漂移量。
通過本發明提供的種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法，能夠帶來以下至少一種有益效果：
1、實現了夾緊元件布局位置的優選，有效控制蠟模充型過程中陶芯的漂移，使得精鑄葉片蠟型的壁厚偏差得到有效的把控。
2、利用遺傳算法並選用排序的賭輪盤選擇算子、自適應的交叉、變異算子以及引入精英策略中的一種或幾種進行優化。提高搜索效率，加速工作進程。
附圖說明
下面將以明確易懂的方式，結合附圖說明優選實施方式，對一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法的上述特性、技術特徵、優點及其實現方式予以進一步說明。
圖1為空心渦輪葉片1的示意圖。
圖2為形成空心渦輪葉片1內腔的陶芯2的示意圖。
圖3為蠟模充型某一時刻對陶芯作用力的計算流程圖。
圖4為優化前陶芯2與定位元件和夾緊元件的裝配關係示意圖。
圖5為夾緊元件布局優化的遺傳算法流程。
圖6為考慮工藝要求的夾緊元件候選點區域及監測點分布截面。
圖7為優化後陶芯2與定位元件和夾緊元件裝配關係示意圖。
圖8為優化前後葉尖截面處葉片壁厚偏差對比示意圖。
附圖標號說明：1、空心渦輪葉片，2、陶芯，3-8、定位元件，9-13、夾緊元件，A、夾緊元件12候選點區域，B、夾緊元件9候選點區域，C、夾緊元件10、11、13候選點區域，D、監測點分布在葉尖處的截面，E、監測點分布在葉根處的截面，F、蠟模型腔內表面設計截面線，G、優化前蠟模型腔內表面截面線，H、優化後蠟模型腔內表面截面線。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對照附圖說明本發明的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖，並獲得其他的實施方式。
為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本發明相關的部分，它們並不代表其作為產品的實際結構。另外，以使圖面簡潔便於理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，「一個」不僅表示「僅此一個」，也可以表示「多於一個」的情形。
本發明提供一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法的實施例，其中陶芯被夾緊元件以及定位元件約束，以維持陶芯在蠟模充型過程中的位置；示例性的，如圖4所示，為優化前陶芯2與定位元件和夾緊元件的裝配關係示意圖，也即現有工程實踐中常採用的與定位元件對稱分布的夾緊元件布局方法。其中標號3-標號8為定位元件，標號9-13為夾緊元件。本發明的目的即為實現夾緊元件9-13的優化布局。
本實施例的渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法包括如下步驟：
S10，對蠟模充型過程進行流動仿真分析；
S20，從流動仿真分析結果中提取蠟模充型過程中的蠟料與陶芯接觸面處的有限元節點ID及其坐標，通過注塑成型仿真計算蠟模充型過程中陶芯受力的動態變化情況；其中，蠟料充型為一個動態過程，蠟料與陶芯的接觸面隨著蠟料的不斷填充而不斷增大；
S30，將陶芯、定位元件、夾緊元件均視為剛體，採用彈簧阻尼模型計算陶芯與定位元件之間的第一接觸碰撞力以及陶芯與夾緊元件之間的第二接觸碰撞力；然後通過運動仿真計算陶芯在重力、第一接觸碰撞力、第二接觸碰撞力、蠟料流動作用力及力矩作用下的動態漂移位移場；具體的，陶芯2定義為自由的剛體，定位元件3-8與夾緊元件9-13為固定的剛體；
S40，在陶芯的葉尖和葉根截面處選取若干個監測點，在步驟S30建立的動態漂移位移場獲得若干個監測點的位置矢量，每個監測點的位移量為蠟模充型過程前後的位置矢量之差，每個監測點的位移量之和為陶芯的運動漂移指示量，通過遺傳算法尋找運動漂移指示量最小時對應的夾緊元件布局。
進一步的，還包括步驟S01，結合工藝要求規劃所述夾緊元件的候選位置。步驟S01的順序一般在步驟S4O中最終計算尋找進行運動漂移指示量最小時對應的所述夾緊元件布局之前進行，但也可以在其他順序進行，並無嚴格的順序前後要求。圖6中顯示的即是針對圖2的陶芯2結構的夾緊元件候選點區域。其中A為夾緊元件12候選點區域，B為夾緊元件9候選點區域，C為夾緊元件10、11、13候選點區域。
通過流動仿真分析、注塑成型仿真計算受力，運動仿真獲得動態漂移位移場，最終基於動態漂移位移場通過應用遺傳算法確定運動漂移指示量最小時夾緊元件的位置。如圖7所示，為優化後陶芯2與定位元件3、4、5、6、7、8以及夾緊元件9、10、11、12、13裝配關係示意圖。可以比較與圖4中現有工程實踐中的布局情況的明顯差別。
基於圖7中優化後的夾緊元件布局製得的渦輪葉片的壁厚偏差也有了很大的改觀，圖中F為蠟模型腔內表面設計截面線，G為優化前蠟模型腔內表面截面線，H為優化後蠟模型腔內表面截面線，可以看出，H與F的偏差更小，也即最終製得的渦輪葉片壁厚的精度更高，厚度偏差更小。
本發明的一個優選實施例中，步驟S40中，遺傳算法選用排序的賭輪盤選擇算子、自適應的交叉、變異算子以及引入精英策略中的一種或幾種進行優化。如此可以提高遺傳算法的搜索效率。如圖5為夾緊元件布局優化算法流程。
步驟S30的運動仿真計算過程以及步驟S40通過UGmotion實現。步驟S10中使用Moldflow有限元分析軟體進行流動仿真分析。
本發明公開一種渦輪葉片精鑄蠟型陶芯夾緊元件的布局方法的具體實施例。其中，步驟S10包括以下分步驟：
S11，將圖1所示的空心渦輪葉片1導入到Moldflow軟體中，並將其離散為雙面網格，修改網格質量以滿足分析要求；
S12，將圖2所示的陶芯2導入Moldflow軟體中，並將其離散為3D網格，修改網格以滿足分析要求；
S13，將文件擴展名為.sty的陶芯2網格文件添加到葉片1文件中，並將其設置為型芯3D；將陶芯2所有節點設置為固定約束，對其執行型芯偏移分析；
S14，設置蠟的材料參數及充蠟工藝參數，執行分析，即得到蠟模充型流動仿真分析結果。
圖3闡釋了計算蠟模充型某一時刻的陶芯作用力的流程圖，以文字敘述為，步驟S20包括以下分步驟，
S21，從Moldflow有限元分析軟體獲得的流動仿真分析結果中提取蠟模充型過程中使用的蠟料與陶芯的接觸面處的有限元節點ID及其坐標，如圖6中所示的，D為分布在葉尖處截面的監測點選擇區域，F為分布在葉根處截面的監測點選擇區域，其中提取的有限元為三角形單元，設定三角形單元的個數為k個,將第i個三角形單元表示為三角形單元i，i＝1、2、3、4……k；
S22，針對蠟模充型過程中的某一時刻，提取三角形單元i上節點的坐標及壓力值(pi1，pi2，pi3)；
S23，根據形函數插值法計算三角形單元i內部任一點的壓力值，通過積分計算得三角形單元i上的力fi，並將其作用在三角形單元i的重心處；
S24，計算三角形單元i的重心坐標，並根據重心坐標從幾何模型中提取法向矢量ni，即力fi的方向；
S25，三角形單元i上的等效力矢量fi＇＝fi ni。將全部k個三角形單元上的等效力合成至陶芯質心處即得某一時刻陶芯受到的合力FC＝∑fi＇及合力矩MC＝∑MC(fi＇)。
S26，根據Moldflow提供的時間間隔，重複步驟S22、步驟S23、步驟S24、步驟S25計算蠟模充型過程中每一時刻陶芯所受的力，獲得陶芯在蠟模充型過程中的受力動態變化情況。
步驟S30中包括以下分步驟：
S31，創建運動分析物理模型，將被視為剛體陶芯、定位元件、夾緊元件賦予質量屬性；
S32，對陶芯質心處施加隨時間變化的力、力矩以及重力；
S33，設置求解器參數，其中：解算方案為常規驅動，分析類型為運動學；時間為蠟料填充時間；步數為填充時間x100；
S34，進行剛體動力學分析得到陶芯的動態運動漂移位移場，並分析得出蠟模充型過程中陶芯的最終漂移量。
針對步驟S40，設定夾緊元件的個數為m個，夾緊元件分別用C1，C2，…，Cm表示，由於不同布局情況下夾緊元件的位置組合(C1，C2，…，Cm)對應於陶芯的一個運動漂移量Ω，因此可利用優化算法搜索出一組最優的夾緊元件布局使得陶芯的運動漂移量最小。包括以下分步驟：
S41，在陶芯葉尖和葉根截面處選取p個監測點，每個監測點的位移為陶芯漂移後的位置矢量與初始位置矢量之差，以Dj(Ω)表示；
S42，取該p個監測點位移之和表示陶芯的運動漂移情況；以監測點位移之和最小為目標優化夾緊元件布局，即：fobj＝min(∑Dj(Ω))。
S43，如圖5所示，使用遺傳算法以確定最優的夾緊元件布局，具體的包括以下步驟Step1-Step5：
Step1隨機生成初始種群，種群中每個個體的染色體為夾緊元件候選點的組合；
Step2調用運動分析計算每種夾緊元件布局，即每個個體下的陶芯運動漂移量，並根據監測點位移計算個體的適應度函數；
Step3根據種群評估結果判斷是否滿足終止條件(蠟模壁厚偏差要求或種群進化代數)；
Step4對該種群進行精英保留操作，並執行選擇、交叉、變異操作；
Step5重複Step2、Step3、Step4。
應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。