發(fā)布時間：2020-08-25 09:42

【摘要】：航空發(fā)動機壓氣機低速模擬試驗平臺是有效獲取壓氣機內(nèi)部流場,提高壓氣機設計水平和效率的重要途徑。試驗平臺的低轉速條件,對葉片強度要求較低,可采用注塑成型工藝制備的樹脂基復合材料葉片代替昂貴的金屬機加葉片進行試驗,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鍵技術研究,對于提高葉片的尺寸精度,保障低速模擬試驗平臺準確驗證壓氣機的設計方案,具有重要的理論意義和工程應用價值。在對同批次葉片尺寸特點及尺寸超差原因分析的基礎上,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行反變形設計,以減小葉片尺寸偏差,即對模腔優(yōu)化設計過程的關鍵技術:面向模型重構的葉片型面測量規(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)化設計方法,進行分析和研究。在上述理論研究的基礎上,開發(fā)出試驗葉片注塑模具型腔優(yōu)化設計原型系統(tǒng),可有效縮短壓氣機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分析及注塑實驗,比較相同工藝條件下,葉片注塑仿真變形和實際變形的差異,建立了可用于葉片變形趨勢預測的注塑仿真模型;其次,基于葉片注塑仿真實驗,建立了葉片變形量與注塑工藝參數(shù)之間的代理模型,結合最優(yōu)化理論及蒙特卡羅模擬技術,對葉片注塑工藝參數(shù)進行了穩(wěn)健優(yōu)化設計;最后,對穩(wěn)健優(yōu)化工藝參數(shù)進行了實驗驗證。(2)面向模型重構的葉片三坐標測量規(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集,基于型值點集在積疊軸方向的坐標規(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,以構造B樣條曲線所需的最小型值點集作為截面葉型測量采樣點。與現(xiàn)有的測量方法相比,在建模精度相當?shù)那疤嵯?本文方法可顯著降低葉片測量采樣點數(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,應基于葉片平均尺寸偏差計算模腔補償量。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,進而推導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行了驗證。(4)葉片注塑模具型腔反變形優(yōu)化設計方法:首先,研究了一種葉片多樣本檢測數(shù)據(jù)融合處理方法,基于融合點坐標及設計葉型信息構造三次B樣條曲線,并將其作為零件葉型;其次,將零件葉型和對應設計葉型進行配準,以完成配準運算的旋轉角度和平移量作為葉型扭轉變形量和彎曲變形量,以測量點與其在設計葉型上對應點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行補償,并基于補償?shù)哪Ｇ唤孛婢�建立優(yōu)化的模具型腔。實驗結果表明,優(yōu)化后的型腔可顯著提高葉片尺寸精度。(5)壓氣機樹脂試驗葉片注塑模具型腔優(yōu)化設計原型系統(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)化設計原型系統(tǒng),以某型壓氣機轉子試驗葉片為例,對本文模具型腔優(yōu)化設計方法進行了驗證。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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)濟和國防發(fā)展水平大推重比、超高速、高空以及超遠航程的需求，發(fā)機的研制必須依托先進的測試方法，進行大量的試。在成熟核心機的基礎上進行系列化發(fā)展是一個可險技術途徑，被航空強國廣泛采用[3]。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)都與核心機密切相關[4]。作為核心機的三大部件之重比、耗油率等性能起關鍵作用，同時也對發(fā)動機因此，無論是國外還是國內(nèi)，壓氣機的研制一直是一[6][7]。

圖 1-2 GE 公司 LSRC 試驗臺 圖 1-3 壓氣機低速模擬技術流程圖壓氣機低速模擬技術具有以下 5 個優(yōu)點[14]。（1）測量精度高。壓氣機低速試驗臺內(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，以便相似測量壓氣機內(nèi)部氣流情況。（2）機械應力低。壓氣機低速模擬實驗可大大降低葉片的轉速。例如，GE90（E3）高壓壓氣機葉尖線速度超過 450m/s[6]，而 GE 公司設計的 LSRC 葉尖最大線速度僅為96m/s[15]。試驗臺的低轉速條件意味著更低的應力，對試驗臺的硬件要求相對較低。同時，在低應力下試驗臺的運行時間更長，材料疲勞損傷可能性降低，可安全的操作壓氣機的旋轉失速。（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；低轉速下，GE 公司采用樹脂基復合材料試驗葉片代替金屬葉片進行試驗[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 壓氣機低速模擬技術流程圖壓氣機低速模擬技術具有以下 5 個優(yōu)點[14]。（1）測量精度高。壓氣機低速試驗臺內(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，以便相似測量壓氣機內(nèi)部氣流情況。（2）機械應力低。壓氣機低速模擬實驗可大大降低葉片的轉速。例如，GE90（E3）高壓壓氣機葉尖線速度超過 450m/s[6]，而 GE 公司設計的 LSRC 葉尖最大線速度僅為96m/s[15]。試驗臺的低轉速條件意味著更低的應力，對試驗臺的硬件要求相對較低。同時，在低應力下試驗臺的運行時間更長，材料疲勞損傷可能性降低，可安全的操作壓氣機的旋轉失速。（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；低轉速下，GE 公司采用樹脂基復合材料試驗葉片代替金屬葉片進行試驗[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