一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法与流程

本发明涉及蜡模充型技术领域，尤指一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法。

背景技术：

目前空心涡轮叶片通常采用熔模精密铸造的成型方法制备。该制备方法通常在模具内放置陶瓷型芯以制备空心蜡模，并经过制壳、脱蜡、浇注以及去壳脱芯等步骤，形成具有内腔型面的空心叶片。空心涡轮叶片内、外型面之间的壁厚是保证其强度以及冷却效率的重要指标，也是保证其服役寿命的重要参数。相关学者对不同型号的涡轮叶片失效原因的研究表明，“壁厚”是导致叶片失效的最主要原因之一。因此，确保涡轮叶片壁厚合格成为我国航空发动机技术亟待解决的问题之一。

研究发现，精密铸造蜡模的壁厚精度对铸件最终的壁厚精度有着直接而主要的影响，因此，制备壁厚精度合格的蜡模是制备壁厚合格叶片的首要条件。精铸蜡模壁厚主要通过蜡模成型过程中陶芯与模具之间精确独一的位置匹配关系进行保证，通常在模具中设计定位元件和夹紧元件以约束陶芯在蜡料流动过程中的空间位姿。

针对陶芯夹紧元件的位置布局，工程实践中通常采用与定位元件对称分布的方式。由于国内陶芯制备尺寸偏差大，若夹紧元件与陶芯采用接触的方式以约束陶芯位置，合模时可能导致陶芯被压碎或无法合模。工程中在批量化压制蜡模时，通常人工手动下调夹紧元件直至与陶芯接触，然后再回退一定的距离，一般为陶芯制造的上公差限，以避免符合制造公差的陶芯被压碎，即夹紧元件与陶芯型面之间有一定的间隙。而正是由于该间隙的存在，使得陶芯在蜡料填充型腔时受蜡料流动影响在狭小的空间内易产生运动漂移，从而引起蜡模壁厚偏差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法，实现陶芯夹紧元件的优化布局。

本发明提供的技术方案如下：一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法，陶芯被夹紧元件以及定位元件约束，以维持所述陶芯在蜡模充型过程中的位置。

S10，对蜡模充型过程进行流动仿真分析；

S20，从所述流动仿真分析结果中提取所述蜡模充型过程中的蜡料与所述陶芯接触面处的有限元节点ID及其坐标，通过注塑成型仿真计算所述蜡模充型过程中所述陶芯受力的动态变化情况；

S30，将所述陶芯、所述定位元件、所述夹紧元件均视为刚体，采用弹簧阻尼模型计算所述陶芯与所述定位元件之间的第一接触碰撞力以及所述陶芯与所述夹紧元件之间的第二接触碰撞力；然后通过运动仿真计算所述陶芯在重力、所述第一接触碰撞力、所述第二接触碰撞力、蜡料流动作用力及力矩作用下的动态漂移位移场；

S40，在所述陶芯的叶尖和叶根截面处选取若干个监测点，在所述步骤S30建立的动态漂移位移场获得若干个所述监测点的位置矢量，每个所述监测点的位移量为所述蜡模充型过程前后的所述位置矢量之差，每个所述监测点的位移量之和为所述陶芯的运动漂移指示量，通过遗传算法寻找所述运动漂移指示量最小时对应的所述夹紧元件布局。

通过流动仿真分析、注塑成型仿真计算受力，运动仿真获得动态漂移位移场，最终基于动态漂移位移场通过应用遗传算法确定所述运动漂移指示量最小时所述夹紧元件的位置，这一系列连续步骤，实现了夹紧元件布局位置的优选，有效控制蜡模充型过程中陶芯的漂移，使得精铸叶片蜡型的壁厚偏差得到有效的把控。

优选的，所述步骤S40中，所述遗传算法选用排序的赌轮盘选择算子、自适应的交叉、变异算子以及引入精英策略中的一种或几种进行优化。如此可以提高遗传算法的搜索效率。

优选的，还包括步骤S01，即结合工艺要求规划所述夹紧元件的候选布局位置。

具体的，所述步骤S30的所述运动仿真计算过程以及所述步骤S40通过UG motion实现。所述步骤S10中使用Moldflow有限元分析软件进行流动仿真分析。

所述步骤S20包括以下分步骤：

S21，从Moldflow有限元分析软件获得的流动仿真分析结果中提取所述蜡模充型过程中使用的蜡料与所述陶芯的接触面处的有限元节点ID及其坐标，其中提取的有限元为三角形单元，设定三角形单元的个数为k个,将第i个三角形单元表示为三角形单元i，i＝1、2、3、4……k；

S22，针对所述蜡模充型过程中的某一时刻，提取所述三角形单元i上节点的坐标及压力值(pi¹，pi²，pi³)；

S23，根据形函数插值法计算三角形单元i内部任一点的压力值，通过积分计算得三角形单元i上的力fi，并将其作用在所述三角形单元i的重心处；

S24，计算所述三角形单元i的重心坐标，并根据所述重心坐标从几何模型中提取法向矢量ni，即力fi的方向；

S25，所述三角形单元i上的等效力矢量fi＇＝fini。将全部k个三角形单元上的等效力合成至所述陶芯质心处即得所述某一时刻所述陶芯受到的合力FC＝∑fi＇及合力矩MC＝∑MC(fi＇)。

S26，根据Moldflow提供的时间间隔，重复步骤S22、步骤S23、步骤S24、步骤S25计算所述蜡模充型过程中每一时刻所述陶芯所受的力，获得所述陶芯在所述蜡模充型过程中的受力动态变化情况。

具体的，所述步骤S30中包括以下分步骤：

S31，创建运动分析物理模型，将被视为刚体所述陶芯、所述定位元件、所述夹紧元件赋予质量属性；

S32，对所述陶芯质心处施加随时间变化的力、力矩以及重力；

S33，设置求解器参数，其中：解算方案为常规驱动，分析类型为运动学；时间为蜡料填充时间；步数为填充时间x100；

S34，进行刚体动力学分析得到所述陶芯的动态运动漂移位移场，并分析得出所述蜡模充型过程中所述陶芯的最终漂移量。

通过本发明提供的种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法，能够带来以下至少一种有益效果：

1、实现了夹紧元件布局位置的优选，有效控制蜡模充型过程中陶芯的漂移，使得精铸叶片蜡型的壁厚偏差得到有效的把控。

2、利用遗传算法并选用排序的赌轮盘选择算子、自适应的交叉、变异算子以及引入精英策略中的一种或几种进行优化。提高搜索效率，加速工作进程。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为空心涡轮叶片1的示意图。

图2为形成空心涡轮叶片1内腔的陶芯2的示意图。

图3为蜡模充型某一时刻对陶芯作用力的计算流程图。

图4为优化前陶芯2与定位元件和夹紧元件的装配关系示意图。

图5为夹紧元件布局优化的遗传算法流程。

图6为考虑工艺要求的夹紧元件候选点区域及监测点分布截面。

图7为优化后陶芯2与定位元件和夹紧元件装配关系示意图。

图8为优化前后叶尖截面处叶片壁厚偏差对比示意图。

附图标号说明：1、空心涡轮叶片，2、陶芯，3-8、定位元件，9-13、夹紧元件，A、夹紧元件12候选点区域，B、夹紧元件9候选点区域，C、夹紧元件10、11、13候选点区域，D、监测点分布在叶尖处的截面，E、监测点分布在叶根处的截面，F、蜡模型腔内表面设计截面线，G、优化前蜡模型腔内表面截面线，H、优化后蜡模型腔内表面截面线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明提供一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法的实施例，其中陶芯被夹紧元件以及定位元件约束，以维持陶芯在蜡模充型过程中的位置；示例性的，如图4所示，为优化前陶芯2与定位元件和夹紧元件的装配关系示意图，也即现有工程实践中常采用的与定位元件对称分布的夹紧元件布局方法。其中标号3-标号8为定位元件，标号9-13为夹紧元件。本发明的目的即为实现夹紧元件9-13的优化布局。

本实施例的涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法包括如下步骤：

S10，对蜡模充型过程进行流动仿真分析；

S20，从流动仿真分析结果中提取蜡模充型过程中的蜡料与陶芯接触面处的有限元节点ID及其坐标，通过注塑成型仿真计算蜡模充型过程中陶芯受力的动态变化情况；其中，蜡料充型为一个动态过程，蜡料与陶芯的接触面随着蜡料的不断填充而不断增大；

S30，将陶芯、定位元件、夹紧元件均视为刚体，采用弹簧阻尼模型计算陶芯与定位元件之间的第一接触碰撞力以及陶芯与夹紧元件之间的第二接触碰撞力；然后通过运动仿真计算陶芯在重力、第一接触碰撞力、第二接触碰撞力、蜡料流动作用力及力矩作用下的动态漂移位移场；具体的，陶芯2定义为自由的刚体，定位元件3-8与夹紧元件9-13为固定的刚体；

S40，在陶芯的叶尖和叶根截面处选取若干个监测点，在步骤S30建立的动态漂移位移场获得若干个监测点的位置矢量，每个监测点的位移量为蜡模充型过程前后的位置矢量之差，每个监测点的位移量之和为陶芯的运动漂移指示量，通过遗传算法寻找运动漂移指示量最小时对应的夹紧元件布局。

进一步的，还包括步骤S01，结合工艺要求规划所述夹紧元件的候选位置。步骤S01的顺序一般在步骤S4O中最终计算寻找进行运动漂移指示量最小时对应的所述夹紧元件布局之前进行，但也可以在其他顺序进行，并无严格的顺序前后要求。图6中显示的即是针对图2的陶芯2结构的夹紧元件候选点区域。其中A为夹紧元件12候选点区域，B为夹紧元件9候选点区域，C为夹紧元件10、11、13候选点区域。

通过流动仿真分析、注塑成型仿真计算受力，运动仿真获得动态漂移位移场，最终基于动态漂移位移场通过应用遗传算法确定运动漂移指示量最小时夹紧元件的位置。如图7所示，为优化后陶芯2与定位元件3、4、5、6、7、8以及夹紧元件9、10、11、12、13装配关系示意图。可以比较与图4中现有工程实践中的布局情况的明显差别。

基于图7中优化后的夹紧元件布局制得的涡轮叶片的壁厚偏差也有了很大的改观，图中F为蜡模型腔内表面设计截面线，G为优化前蜡模型腔内表面截面线，H为优化后蜡模型腔内表面截面线，可以看出，H与F的偏差更小，也即最终制得的涡轮叶片壁厚的精度更高，厚度偏差更小。

本发明的一个优选实施例中，步骤S40中，遗传算法选用排序的赌轮盘选择算子、自适应的交叉、变异算子以及引入精英策略中的一种或几种进行优化。如此可以提高遗传算法的搜索效率。如图5为夹紧元件布局优化算法流程。

步骤S30的运动仿真计算过程以及步骤S40通过UGmotion实现。步骤S10中使用Moldflow有限元分析软件进行流动仿真分析。

本发明公开一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法的具体实施例。其中，步骤S10包括以下分步骤：

S11，将图1所示的空心涡轮叶片1导入到Moldflow软件中，并将其离散为双面网格，修改网格质量以满足分析要求；

S12，将图2所示的陶芯2导入Moldflow软件中，并将其离散为3D网格，修改网格以满足分析要求；

S13，将文件扩展名为.sty的陶芯2网格文件添加到叶片1文件中，并将其设置为型芯3D；将陶芯2所有节点设置为固定约束，对其执行型芯偏移分析；

S14，设置蜡的材料参数及充蜡工艺参数，执行分析，即得到蜡模充型流动仿真分析结果。

图3阐释了计算蜡模充型某一时刻的陶芯作用力的流程图，以文字叙述为，步骤S20包括以下分步骤，

S21，从Moldflow有限元分析软件获得的流动仿真分析结果中提取蜡模充型过程中使用的蜡料与陶芯的接触面处的有限元节点ID及其坐标，如图6中所示的，D为分布在叶尖处截面的监测点选择区域，F为分布在叶根处截面的监测点选择区域，其中提取的有限元为三角形单元，设定三角形单元的个数为k个,将第i个三角形单元表示为三角形单元i，i＝1、2、3、4……k；

S22，针对蜡模充型过程中的某一时刻，提取三角形单元i上节点的坐标及压力值(pi¹，pi²，pi³)；

S23，根据形函数插值法计算三角形单元i内部任一点的压力值，通过积分计算得三角形单元i上的力fi，并将其作用在三角形单元i的重心处；

S24，计算三角形单元i的重心坐标，并根据重心坐标从几何模型中提取法向矢量ni，即力fi的方向；

S25，三角形单元i上的等效力矢量fi＇＝fi ni。将全部k个三角形单元上的等效力合成至陶芯质心处即得某一时刻陶芯受到的合力FC＝∑fi＇及合力矩MC＝∑MC(fi＇)。

S26，根据Moldflow提供的时间间隔，重复步骤S22、步骤S23、步骤S24、步骤S25计算蜡模充型过程中每一时刻陶芯所受的力，获得陶芯在蜡模充型过程中的受力动态变化情况。

步骤S30中包括以下分步骤：

S31，创建运动分析物理模型，将被视为刚体陶芯、定位元件、夹紧元件赋予质量属性；

S32，对陶芯质心处施加随时间变化的力、力矩以及重力；

S33，设置求解器参数，其中：解算方案为常规驱动，分析类型为运动学；时间为蜡料填充时间；步数为填充时间x100；

S34，进行刚体动力学分析得到陶芯的动态运动漂移位移场，并分析得出蜡模充型过程中陶芯的最终漂移量。

针对步骤S40，设定夹紧元件的个数为m个，夹紧元件分别用C1，C2，…，Cm表示，由于不同布局情况下夹紧元件的位置组合(C1，C2，…，Cm)对应于陶芯的一个运动漂移量Ω，因此可利用优化算法搜索出一组最优的夹紧元件布局使得陶芯的运动漂移量最小。包括以下分步骤：

S41，在陶芯叶尖和叶根截面处选取p个监测点，每个监测点的位移为陶芯漂移后的位置矢量与初始位置矢量之差，以Dj(Ω)表示；

S42，取该p个监测点位移之和表示陶芯的运动漂移情况；以监测点位移之和最小为目标优化夹紧元件布局，即：fobj＝min(∑Dj(Ω))。

S43，如图5所示，使用遗传算法以确定最优的夹紧元件布局，具体的包括以下步骤Step1-Step5：

Step1随机生成初始种群，种群中每个个体的染色体为夹紧元件候选点的组合；

Step2调用运动分析计算每种夹紧元件布局，即每个个体下的陶芯运动漂移量，并根据监测点位移计算个体的适应度函数；

Step3根据种群评估结果判断是否满足终止条件(蜡模壁厚偏差要求或种群进化代数)；

Step4对该种群进行精英保留操作，并执行选择、交叉、变异操作；

Step5重复Step2、Step3、Step4。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。