【摘要】：航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)低速模擬試驗平臺是有效獲取壓氣機(jī)內(nèi)部流場,提高壓氣機(jī)設(shè)計水平和效率的重要途徑。試驗平臺的低轉(zhuǎn)速條件,對葉片強(qiáng)度要求較低,可采用注塑成型工藝制備的樹脂基復(fù)合材料葉片代替昂貴的金屬機(jī)加葉片進(jìn)行試驗,大大節(jié)約試驗成本。受葉片材料成型特性、注塑工藝以及模具型腔等多因素影響,樹脂試驗葉片出模后不可避免產(chǎn)生變形,影響葉片氣動性能的驗證。因此,深入開展葉片注塑成型關(guān)鍵技術(shù)研究,對于提高葉片的尺寸精度,保障低速模擬試驗平臺準(zhǔn)確驗證壓氣機(jī)的設(shè)計方案,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。在對同批次葉片尺寸特點(diǎn)及尺寸超差原因分析的基礎(chǔ)上,本文提出從注塑工藝參數(shù)及模具型腔兩方面展開研究,解決葉片尺寸波動較大、合格率低的問題。首先,對葉片注塑工藝參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)健優(yōu)化,以提高葉片尺寸穩(wěn)定性;其次,對葉片注塑模具型腔進(jìn)行反變形設(shè)計,以減小葉片尺寸偏差,即對模腔優(yōu)化設(shè)計過程的關(guān)鍵技術(shù):面向模型重構(gòu)的葉片型面測量規(guī)劃方法、面向平均尺寸偏差估計的葉片抽樣檢測方法、模腔截面線優(yōu)化設(shè)計方法,進(jìn)行分析和研究。在上述理論研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)出試驗葉片注塑模具型腔優(yōu)化設(shè)計原型系統(tǒng),可有效縮短壓氣機(jī)試驗葉片模具的定型周期、提高試驗葉片尺寸精度。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)葉片注塑工藝參數(shù)穩(wěn)健優(yōu)化方法:首先,基于CAE分析及注塑實(shí)驗,比較相同工藝條件下,葉片注塑仿真變形和實(shí)際變形的差異,建立了可用于葉片變形趨勢預(yù)測的注塑仿真模型;其次,基于葉片注塑仿真實(shí)驗,建立了葉片變形量與注塑工藝參數(shù)之間的代理模型,結(jié)合最優(yōu)化理論及蒙特卡羅模擬技術(shù),對葉片注塑工藝參數(shù)進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計;最后,對穩(wěn)健優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗驗證。(2)面向模型重構(gòu)的葉片三坐標(biāo)測量規(guī)劃方法:首先,基于葉片CAD模型幾何特征,以葉片中弧面表征葉型曲面沿積疊軸方向的曲率變化趨勢,選取等參數(shù)曲線的最小公共型值點(diǎn)集,基于型值點(diǎn)集在積疊軸方向的坐標(biāo)規(guī)劃葉片測量截面;然后,采用三次B樣條曲線逼近測量截面的葉型,以構(gòu)造B樣條曲線所需的最小型值點(diǎn)集作為截面葉型測量采樣點(diǎn)。與現(xiàn)有的測量方法相比,在建模精度相當(dāng)?shù)那疤嵯?本文方法可顯著降低葉片測量采樣點(diǎn)數(shù)量。(3)面向平均尺寸偏差估計的葉片抽樣檢測方法:同批次葉片存在尺寸波動,應(yīng)基于葉片平均尺寸偏差計算模腔補(bǔ)償量。提出一種面向平均尺寸偏差估計的葉片抽樣檢測方法。首先,以葉身型值點(diǎn)集的位移量衡量葉片型面尺寸偏差;其次,基于數(shù)理統(tǒng)計理論,建立葉片平均尺寸偏差的樞軸量,進(jìn)而推導(dǎo)出葉片平均尺寸偏差的置信區(qū)間;最后,通過不斷增加檢測樣本,提高葉片平均尺寸偏差置信區(qū)間的估計精度,進(jìn)一步提出一種面向葉片平均尺寸偏差估計的序貫抽樣檢測方法,并以樹脂試驗葉片為例對該抽樣方法進(jìn)行了驗證。(4)葉片注塑模具型腔反變形優(yōu)化設(shè)計方法:首先,研究了一種葉片多樣本檢測數(shù)據(jù)融合處理方法,基于融合點(diǎn)坐標(biāo)及設(shè)計葉型信息構(gòu)造三次B樣條曲線,并將其作為零件葉型;其次,將零件葉型和對應(yīng)設(shè)計葉型進(jìn)行配準(zhǔn),以完成配準(zhǔn)運(yùn)算的旋轉(zhuǎn)角度和平移量作為葉型扭轉(zhuǎn)變形量和彎曲變形量,以測量點(diǎn)與其在設(shè)計葉型上對應(yīng)點(diǎn)的位移作為葉型輪廓度誤差;最后,基于葉型變形量及反變形原理對模具型腔截面線進(jìn)行補(bǔ)償,并基于補(bǔ)償?shù)哪Ｇ唤孛婢�建立優(yōu)化的模具型腔。實(shí)驗結(jié)果表明,優(yōu)化后的型腔可顯著提高葉片尺寸精度。(5)壓氣機(jī)樹脂試驗葉片注塑模具型腔優(yōu)化設(shè)計原型系統(tǒng)開發(fā):基于UG/Open API及VC二次開發(fā)平臺,開發(fā)了試驗葉片注塑模具型腔優(yōu)化設(shè)計原型系統(tǒng),以某型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子試驗葉片為例,對本文模具型腔優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了驗證。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V263
【圖文】：

第一章 緒 論第一章 緒論及意義是衡量一個國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和國防發(fā)展水平大推重比、超高速、高空以及超遠(yuǎn)航程的需求，發(fā)機(jī)的研制必須依托先進(jìn)的測試方法，進(jìn)行大量的試。在成熟核心機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系列化發(fā)展是一個可險技術(shù)途徑，被航空強(qiáng)國廣泛采用[3]。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)都與核心機(jī)密切相關(guān)[4]。作為核心機(jī)的三大部件之重比、耗油率等性能起關(guān)鍵作用，同時也對發(fā)動機(jī)因此，無論是國外還是國內(nèi)，壓氣機(jī)的研制一直是一[6][7]。

圖 1-2 GE 公司 LSRC 試驗臺 圖 1-3 壓氣機(jī)低速模擬技術(shù)流程圖壓氣機(jī)低速模擬技術(shù)具有以下 5 個優(yōu)點(diǎn)[14]。（1）測量精度高。壓氣機(jī)低速試驗臺內(nèi)部空間相對較大，能更好的安裝各類測量儀器，布置更多的測量點(diǎn)，以便相似測量壓氣機(jī)內(nèi)部氣流情況。（2）機(jī)械應(yīng)力低。壓氣機(jī)低速模擬實(shí)驗可大大降低葉片的轉(zhuǎn)速。例如，GE90（E3）高壓壓氣機(jī)葉尖線速度超過 450m/s[6]，而 GE 公司設(shè)計的 LSRC 葉尖最大線速度僅為96m/s[15]。試驗臺的低轉(zhuǎn)速條件意味著更低的應(yīng)力，對試驗臺的硬件要求相對較低。同時，在低應(yīng)力下試驗臺的運(yùn)行時間更長，材料疲勞損傷可能性降低，可安全的操作壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速。（3）成本較低。低速試驗臺硬件制造及測試兩方面具有極大的成本優(yōu)勢；低轉(zhuǎn)速下，GE 公司采用樹脂基復(fù)合材料試驗葉片代替金屬葉片進(jìn)行試驗[14][16]，其成本可降低大約 80%。圖 1-4（a）展示了 GE 公司研制的某型樹脂試驗葉片，圖 1-4（b）展示了GE 公司研制的 LSRC 某級靜子樹脂試驗葉片/環(huán)[12]。

圖 1-2 GE 公司 LSRC 試驗臺 圖 1-3 壓氣機(jī)低速模擬技術(shù)流程圖壓氣機(jī)低速模擬技術(shù)具有以下 5 個優(yōu)點(diǎn)[14]。（1）測量精度高。壓氣機(jī)低速試驗臺內(nèi)部空間相對較大，能更好的安裝各類測量儀器，布置更多的測量點(diǎn)，以便相似測量壓氣機(jī)內(nèi)部氣流情況。（2）機(jī)械應(yīng)力低。壓氣機(jī)低速模擬實(shí)驗可大大降低葉片的轉(zhuǎn)速。例如，GE90（E3）高壓壓氣機(jī)葉尖線速度超過 450m/s[6]，而 GE 公司設(shè)計的 LSRC 葉尖最大線速度僅為96m/s[15]。試驗臺的低轉(zhuǎn)速條件意味著更低的應(yīng)力，對試驗臺的硬件要求相對較低。同時，在低應(yīng)力下試驗臺的運(yùn)行時間更長，材料疲勞損傷可能性降低，可安全的操作壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速。（3）成本較低。低速試驗臺硬件制造及測試兩方面具有極大的成本優(yōu)勢；低轉(zhuǎn)速下，GE 公司采用樹脂基復(fù)合材料試驗葉片代替金屬葉片進(jìn)行試驗[14][16]，其成本可降低大約 80%。圖 1-4（a）展示了 GE 公司研制的某型樹脂試驗葉片，圖 1-4（b）展示了GE 公司研制的 LSRC 某級靜子樹脂試驗葉片/環(huán)[12]。

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本文編號：2803543