專利名稱：基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法，特別是涉及一種基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法。
背景技術：
復雜空心渦輪葉片是高推重比發(fā)動機的核心技術，是發(fā)動機最核心的部件，也是易斷裂失效件。其性能水平，特別是承高溫能力，是一種型號發(fā)動機先進程度的重要標志，在一定意義上，也是一個國家航空工業(yè)水平的顯著標志。由于其內(nèi)部冷卻結構復雜、氣動外形和尺寸精度要求較高，且長期服役在強烈熱沖擊與復雜循環(huán)熱應力工況條件下，故空心渦輪葉片結構設計與制造技術成為高推重比航空發(fā)動機的核心技術?？招臏u輪葉片一般采用定向結晶或單晶無余量精密鑄造，由于渦輪葉片為大量自 由曲面和復雜內(nèi)腔組成的薄壁結構(壁厚O. 5mm-2mm)，精鑄葉片的型面精度低、壁厚尺寸漂移大、質量不穩(wěn)、廢品率很高，一直是制約我國新型航空發(fā)動機研制的瓶頸。葉片精鑄是一個多形變因素和多種應、抗力源相互耦合的復雜的動態(tài)過程，影響葉片尺寸的也是多因素的耦合作用。國內(nèi)鑄造工藝一般采用“經(jīng)驗+試驗”法，即依靠生產(chǎn)經(jīng)驗工藝參數(shù)，通過反復的現(xiàn)場試驗研究精鑄工藝參數(shù)對單晶渦輪葉片成型質量的影響。這種方法智能和自動化程度低，成本較高，且研發(fā)周期長，沒有科學的理論依據(jù)，難以有效地進行精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化，已經(jīng)不能適應現(xiàn)代市場高速發(fā)展和激烈競爭的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法優(yōu)化效果差的不足，本發(fā)明提供一種基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法。該方法通過設計單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)，采用有限元分析方法對澆注系統(tǒng)模型進行單元劃分，對葉片精鑄工藝參數(shù)提取與辨析，并通過單因素工藝試驗得到對精鑄葉片型面尺寸精度影響較大的精鑄工藝參數(shù)及合理參數(shù)變化范圍；設計交互正交試驗，根據(jù)建立的試驗表格進行澆注過程的數(shù)值模擬，以獲取澆注過程中的渦輪葉片鑄件變形情況；通過數(shù)據(jù)處理與分析，評估鑄件相對于設計模型的變形情況，通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，采用采用小步長搜索方法，逐漸縮小精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化的搜索范圍，可以提高單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法的優(yōu)化效果。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特點是包括以下步驟步驟一建立單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型，采用有限元分析方法對澆注系統(tǒng)模型進行單元劃分。步驟二 對單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)提取與辨析，并通過單因素工藝試驗得到對單晶渦輪葉片型面尺寸精度影響較大的精鑄工藝參數(shù)及合理參數(shù)變化范圍。步驟三根據(jù)步驟二中的精鑄工藝參數(shù)設計交互正交試驗表格。步驟四根據(jù)建立的交互正交試驗表格進行澆注過程的數(shù)值模擬，以獲取澆注過程中的渦輪葉片鑄件變形情況。首先施加數(shù)值模擬邊界條件，包括合金材料與模殼材料的熱物性參數(shù)、初始澆注的合金溫度、中止數(shù)值計算的合金溫度、合金材料與精鑄模殼間的界面換熱系數(shù)、模型位移的約束條件。通過精鑄過程應力場的求解，得出精鑄過程渦輪葉片網(wǎng)格模型各節(jié)點的應力分布，進而導出各節(jié)點的位移量，建立位移場模型。步驟五根據(jù)步驟三得到的仿真結果進行數(shù)據(jù)處理與分析。用等參數(shù)法截取葉片不同高度上的多個二維截面，采用對應點的方法計算鑄件截面的二維位移分布，再由多個截面的二維位移分布集合來表達鑄件的三維位移場，評估鑄件相對于設計模型的變形情況。結合步驟三中的交互正交試驗表格得到神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本及最佳精鑄工藝參數(shù)。具體步驟如下[I]通過PioCAST的ViewCAST模塊將葉片仿真模型導出，數(shù)據(jù)格式為“*· sm” ；
[2]將“*· sm”格式轉換為“*· STL”格式；[3]將步驟一建立單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型與單晶渦輪葉片蠟模CAD模型導入進行三維配準；[4]經(jīng)三維配準以后，沿著模型高度方向截取5 8條截面線，得到單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型與單晶渦輪葉片蠟模CAD模型在同一高度的二維截面，同時導出截面線；[5]對截取的截面線進行等參數(shù)離散，并將離散點排序，應用UG 二次開發(fā)模塊將離散點讀入計算對應離散點之間的位移量；[6]結合步驟三中的交互正交試驗表格，對數(shù)據(jù)作歸一化處理及極差分析，得到神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本和最佳精鑄工藝參數(shù)組合。步驟六建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用步驟五中得到的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本訓練神經(jīng)網(wǎng)絡。步驟七結合步驟六中建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，采用采用小步長搜索辦法，逐漸縮小精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化的搜索范圍，最終使優(yōu)化參數(shù)對應的型面位移量小于要求數(shù)值。小步長搜索優(yōu)化方法過程如下[I]在已得到的最值點附近對每個變量增加和減小微小步長這些參數(shù)搭配成多組精鑄工藝參數(shù)的組合，即生成新的正交表；[2]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算得到一系列葉片型面位移量Λ Z ；[3]查找得到更小葉片型面位移量對應的精鑄工藝參數(shù)組合；返回步驟[I]直到葉片型面位移量Λ Z數(shù)值達到要求為止。本發(fā)明的有益效果是由于通過設計單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)，采用有限元分析方法對澆注系統(tǒng)模型進行單元劃分，對葉片精鑄工藝參數(shù)提取與辨析，并通過單因素工藝試驗得到對精鑄葉片型面尺寸精度影響較大的精鑄工藝參數(shù)及合理參數(shù)變化范圍；設計交互正交試驗，根據(jù)建立的試驗表格進行澆注過程的數(shù)值模擬，以獲取澆注過程中的渦輪葉片鑄件變形情況；通過數(shù)據(jù)處理與分析，評估鑄件相對于設計模型的變形情況，通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，采用采用小步長搜索方法，逐漸縮小精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化的搜索范圍。提高了單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法的優(yōu)化效果。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。


圖I是本發(fā)明基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法的流程圖。圖2是本發(fā)明方法所用某型號渦輪動力葉片模型圖。圖3是本發(fā)明方法所用澆注系統(tǒng)的CAD模型。圖4是本發(fā)明方法中型面位移量隨抽拉速度變化曲線。圖5是本發(fā)明方法所用某型號渦輪動力葉片凝固過程的溫度場示意圖。圖6是本發(fā)明方法BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練流程圖。
圖7是本發(fā)明方法小步長的搜索優(yōu)化流程圖。
具體實施例方式以下實施例參照圖I 7。步驟I :采用某型號渦輪動力葉片，其主要參數(shù)為葉身長106. IOmm,最大弦長56. 21mm,最大內(nèi)切圓半徑5. 7mm,前緣半徑4. 12mm,后緣半徑I. 25mm。葉片選用第二代單晶高溫合金DD6，模殼選用硅砂。根據(jù)鑄造補縮理論和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，針對動力葉片設計葉片鑄造工藝及澆注系統(tǒng)，采用頂注式，2片一組。步驟2 :采用商用有限元前處理軟件Hypermesh (美國Altair公司的產(chǎn)品)基于非均勻網(wǎng)格剖分技術對模型進行單元劃分，首先將澆注系統(tǒng)模型導入Hypermesh中，將其離散為四面體單元，單元質量滿足一般企業(yè)有限元分析質量要求，在本實施例中，要求95%以上的單元質量滿足單元翅曲小于5. O、單元長短邊比值小于5. O、偏斜小于60. O、單元雅克比大于O. 7。四面體單元總數(shù)73萬7千。步驟3 :提取出對渦輪葉片精鑄型面精度尺寸影響比較大的精鑄工藝參數(shù)，如抽拉速度、澆注溫度、模殼預熱溫度、冷銅溫度、模殼厚度、保溫溫度等等，本發(fā)明僅對前四個參數(shù)進行研究，其余參數(shù)在試驗中保持固定值。采用單因素工藝試驗研究精鑄工藝參數(shù)對渦輪葉片型面精度尺寸的影響。試驗表格及試驗結果如表I所示。表I單因素工藝試驗表及結果
燒注溫度模殼預熱溫度抽拉速度冷銅溫度型面位移量
行CO__(0C)(mm/min) (V) (mm)
~I 4500.244224
214800.227044
31500 15004.5150.21111
415500.217439
51600_____0.221258
~6 4500.210655
715000.210812
F00391815500.228672
_9___1600____0.216732
"!O40.230661~
114 50.224799
12, c_n, ^aa51C 0.223875
13155015005.515 0.233489
1460.236672
15____6J___0.237312
~l6B0.22249~
17155015004.520 0.235353
18丨_^_I_ 25 I 0.21326
為了能夠更直觀地看到各個工藝參數(shù)對精鑄型面尺寸的影響及其規(guī)律，采用繪圖工具，以精鑄工藝參數(shù)為橫坐標，隨之變化的型面位移量為縱坐標進行繪圖。根據(jù)繪制的曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著精鑄工藝參數(shù)的變化，葉片型面尺寸呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，以此來確定參數(shù)的合理選取值及正交試驗的因素水平表，如表2所示。表2因素水平表
權利要求
1.一種基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一建立單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型，采用有限元分析方法對澆注系統(tǒng)模型進行單元劃分； 步驟二 對單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)提取與辨析，并通過單因素工藝試驗得到對單晶渦輪葉片型面尺寸精度影響較大的精鑄工藝參數(shù)及合理參數(shù)變化范圍； 步驟三根據(jù)步驟二中的精鑄工藝參數(shù)設計交互正交試驗表格； 步驟四根據(jù)建立的交互正交試驗表格進行澆注過程的數(shù)值模擬，以獲取澆注過程中的渦輪葉片鑄件變形情況；首先施加數(shù)值模擬邊界條件，包括合金材料與模殼材料的熱物性參數(shù)、初始澆注的合金溫度、中止數(shù)值計算的合金溫度、合金材料與精鑄模殼間的界面換熱系數(shù)、模型位移的約束條件；通過精鑄過程應力場的求解，得出精鑄過程渦輪葉片網(wǎng)格模型各節(jié)點的應力分布，進而導出各節(jié)點的位移量，建立位移場模型； 步驟五根據(jù)步驟三得到的仿真結果進行數(shù)據(jù)處理與分析；用等參數(shù)法截取葉片不同高度上的多個二維截面，采用對應點的方法計算鑄件截面的二維位移分布，再由多個截面的二維位移分布集合來表達鑄件的三維位移場，評估鑄件相對于設計模型的變形情況；結合步驟三中的交互正交試驗表格得到神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本及最佳精鑄工藝參數(shù)；具體步驟如下 [1]通過ProCAST的ViewCAST模塊將葉片仿真模型導出，數(shù)據(jù)格式為“*·sm” ； [2]將sm”格式轉換為STL”格式； [3]將步驟一建立單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型與單晶渦輪葉片蠟模CAD模型導入進行三維配準； [4]經(jīng)三維配準以后，沿著模型高度方向截取5 8條截面線，得到單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型與單晶渦輪葉片蠟模CAD模型在同一高度的二維截面，同時導出截面線； [5]對截取的截面線進行等參數(shù)離散，并將離散點排序，應用UG二次開發(fā)模塊將離散點讀入計算對應離散點之間的位移量； [6]結合步驟三中的交互正交試驗表格，對數(shù)據(jù)作歸一化處理及極差分析，得到神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本和最佳精鑄工藝參數(shù)組合； 步驟六建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，用步驟五中得到的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本訓練神經(jīng)網(wǎng)絡； 步驟七結合步驟六中建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，采用采用小步長搜索辦法，逐漸縮小精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化的搜索范圍，最終使優(yōu)化參數(shù)對應的型面位移量小于要求數(shù)值；小步長搜索優(yōu)化方法過程如下 [1]在已得到的最值點附近對每個變量增加和減小微小步長\(i=l，2，3，4)，把這些參數(shù)搭配成多組精鑄工藝參數(shù)的組合，即生成新的正交表； [2]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算得到一系列葉片型面位移量ΛZ ； [3]查找得到更小葉片型面位移量對應的精鑄工藝參數(shù)組合； 返回步驟[I]直到葉片型面位移量Λ Z數(shù)值達到要求為止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法，用于解決現(xiàn)有的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法優(yōu)化效果差的技術問題。技術方案是通過設計單晶渦輪葉片澆注系統(tǒng)模型，采用有限元分析方法對澆注系統(tǒng)模型進行單元劃分，對葉片精鑄工藝參數(shù)提取與辨析，并通過單因素工藝試驗得到對精鑄葉片型面尺寸精度影響較大的精鑄工藝參數(shù)及合理參數(shù)變化范圍；根據(jù)建立的試驗表格進行澆注過程的數(shù)值模擬；通過數(shù)據(jù)處理與分析，評估鑄件相對于設計模型的變形情況，通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，采用采用小步長搜索方法，逐漸縮小精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化的搜索范圍。提高了單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化方法的優(yōu)化效果。
文檔編號G06N3/02GK102819651SQ201210296628
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權日2012年8月20日
發(fā)明者傅將威, 陳晨, 卜昆, 周麗敏, 喬燕, 董一巍, 邱飛, 高斌, 王魯, 丁肖藝 申請人:西北工業(yè)大學