CN108531714B - 一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法 - Google Patents

一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，(1)采用循环对称技术建立榫接结构模型；(2)对榫接结构模型进行二维模型的抽取和简化以提高计算效率；(3)对榫接结构二维简化模型进行激光冲击强化处理和载荷的施加，并通过有限元分析结果确定危险区域；(4)分析时间对计算精度的影响，确定多重精度优化的三种精度模型；(5)选取脉冲宽度、搭接率、光斑尺寸和峰值压力为设计参数，最大残余压应力和残余拉应力覆盖率为优化变量，结合三种精度模型，对榫接结构激光冲击强化的工艺参数进行多重精度优化，获得针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数。

Description

一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法
技术领域
本发明是一种面向榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，能够有效提高榫接构激光冲击强化的优化效率，获得优化后的工艺参数，属于航空航天发动机技术领域。
背景技术
航空发动机是一种极限产品，在高温、高压、高转速等的复杂载荷/环境下工作。航空发动机的涡轮盘和涡轮叶片通过榫接结构进行连接和固定，榫接结构不仅要承受涡轮本身的离心载荷和热载荷，还要承受叶片传来的离心载荷、气动载荷、热应力等。在如此苛刻的工作环境下，涡轮榫接部位极易产生疲劳裂纹，造成重大事故。大量研究表明金属构件的疲劳破坏问题与其表面完整性关系较大，因为在交变载荷的作用下构件表面产生裂纹并逐渐扩展，会导致结构件整体的破坏。对榫接部位进行激光冲击强化处理可以诱导产生残余压应力场，在一定程度上抑制疲劳裂纹萌生和扩展，从而延长构件的疲劳寿命。为了选取合适的激光冲击强化工艺参数值，对其进行优化是有必要的。
激光冲击强化是高度非线性的处理过程，利用ABAQUS/Explicit对激光冲击强化过程进行显式动力学分析会有较大的时间消耗，尤其是结构的尺寸较大或者结构几何较为复杂时。即便是通过试验设计的方式来构造响应面方程，由于参数较多，构造全局响应面方程所需的试验设计点较多，计算的时间成本同样难以接受。多重精度优化可以充分地发挥各种精度分析模型的特点，在确保得到合理优化结果的前提下实现计算成本的最小化。
现有文献“蔡兰,张永康.激光冲击抗金属疲劳断裂的激光参数优化试验研究[J].中国激光,1996(12):1117-1120”通过试验的方法，以合金的疲劳寿命为优化目标，脉冲宽度和能量为研究对象，对激光冲击强化技术进行参数优化，并得出了当脉冲宽度为30ns、能量为16J时，激光冲击强化对材料具有非常好的强化效果。但由于试验次数的限制和试验结果分散性的影响，试验的方法很难获得比较好的优化结果。
现有文献“Correa C,Lara L R D,Díaz M,et al.Effect of advancingdirection on fatigue life of 316L stainless steel specimens treated bydouble-sided laser shock peening[J].International Journal of Fatigue,2015,79:1-9”通过有限元模拟对激光冲击强化的工艺参数进行优化，并结合试验发现Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MoCT试件的弯曲疲劳寿命得到了显著改善，验证了激光冲击强化的有效性。但研究对象为简单的平板试样，仍缺乏对复杂构件的激光冲击强化优化工作，且采用的三维建模计算时耗时巨大。
发明内容
本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种面向榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，能够给出针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数。工艺参数优化后榫接结构的激光冲击强化不仅使材料表面的应力大幅度降低，而且使得应力分布更加均匀。
本发明技术解决方案：一种面向榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，建立了榫接结构模型，对涡轮榫接结构复杂构型进行二维模型抽取和简化并引入激光冲击强化工艺，利用多重精度优化的方法实现针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数的获取。
实现步骤如下：
(1)采用循环对称技术建立榫接结构模型：模拟的某涡轮盘总共有68个榫槽，考虑到涡轮盘的榫槽是沿周向均匀分布的，且几何体、载荷均循环对称，为了简化模型，采取循环对称的技术建立模型，且不考虑振动应力、热应力、腐蚀及蠕变等因素的影响。
(2)对涡轮榫接结构进行二维模型抽取和简化：抽取涡轮榫接结构的一个扇区，再平面化成为榫接结构二维简化模型，只保留榫头榫齿榫槽等关键部位，其他部分以载荷或边界条件的形式施加在榫接结构二维简化模型的边界上。榫头结构设定网格尺寸为0.5-1mm，自由分网；为避免榫接结构二维简化模型的网格尺寸因突变造成较大误差，在榫齿表面，沿着接触面和过渡区截取1-2mm深度的体，作为重点考察的部位并均匀分网，网格尺寸约为0.08-0.10mm。
(3)有限元计算分析；对步骤(2)建立的榫接结构二维简化模型进行激光冲击强化处理和载荷的施加。在榫接结构底部施加径向位移约束，在三个侧面(由榫槽顶部沿涡轮盘径向方向的剖面、由榫槽底部沿涡轮盘径向方向的剖面、榫槽顶部弧面)施加轴向位移约束，在需要强化的榫齿表面施加冲击载荷，利用隐式回弹实现榫接结构二维简化模型内部的应力平衡。整个榫接结构的而为简化模型共有四对榫齿结构接触，并定义榫头齿面为主面(Master)，榫槽齿面为从面(Slave)，设置榫头榫齿间摩擦系数为0.3。定义榫槽和榫齿间的接触及离心载荷，得到榫接结构激光冲击强化的数值模型，最终通过有限元分析结果确定危险区域；
(4)确定多重精度优化的精度模型：针对有限元分析软件的显式动态分析时间对计算结果精度的影响，将冲击载荷的动能耗散较为彻底(耗散为冲击载荷初始动能的1％)的榫接结构二维简化模型作为高等精度模型，将能量耗散率略差(耗散为冲击载荷初始动能的2％)的榫接结构二维简化模型作为中等精度模型，响应面模型为低精度模型，充分利用三种精度分析方法实现榫接结构激光冲击强化处理过程的参数优化。根据试验设计方法预先定义中等精度数值响应数据库；分别应用高等精度模型和中等精度模型对优化循环初始点x0处的目标函数和约束值进行分析计算；求解标度函数并修正中等精度数值响应数据库；使用修正后的中等精度数值响应数据库分析构造或更新响应面近似方程；使用响应面近似方程进行优化搜索；对优化结果应用高等精度模型进行评估；满足收敛条件则计算终止，否则更新标度函数，将计算点更新为并开始重新计算。
(5)获取针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数：选取脉冲宽度、搭接率、光斑尺寸和峰值压力为设计参数，以最大残余压应力和残余拉应力覆盖率为优化变量，要求残余拉应力覆盖率不能超过榫接结构过渡齿面的一半，利用三种精度模型，对榫接结构激光冲击强化的工艺参数进行多重精度优化，经过多次重复步骤(4)的迭代过程，获得步骤(3)中确定的危险区域的最大残余压应力随迭代次数的变化图，得到针对榫接结构的最佳工艺参数。优化后，结构的最大应力从310.6MPa降低到了273MPa。榫接结构经过激光冲击强化参数优化后不仅材料表面的应力大幅度降低，应力分布也更加均匀。
所述步骤(1)中采用循环对称技术建立榫接结构模型的具体为：
(11)涡轮盘共有多个榫接结构，每个榫接结构具有多个榫槽(本发明为68个榫槽)，榫槽是沿涡轮盘周向均匀分布的，几何体、载荷均循环对称，每个榫槽中各装有一个叶片；
(12)选取涡轮盘的某个榫接结构，截取所述榫接结构的一半建立模型。
所述步骤(2)中，榫头结构需要预先设定网络，设定网格尺寸为0.5-1mm，自由分网；为避免榫接结构二维简化模型的网格尺寸因突变造成较大误差，在榫齿表面沿着与另一榫齿表面的接触面和过渡区截取1-2mm深度的体均匀分网，网格尺寸约为0.08-0.10mm。
所述步骤(3)中，有限元计算分析时，榫接结构二维简化模型的激光冲击强化处理和载荷的施加需要分两个阶段进行，第一阶段是显式动力学分析，第二个阶段是隐式回弹和加载，即先导入显式动力学分析结果至隐式分析求解器中进行隐式回弹，然后加载所有的载荷并获得计算结果，最终建立榫接结构的有限元模型。
所述步骤(3)中，设置榫头榫槽间的摩擦系数为0.3。
所述步骤(4)中，多重精度优化的具体为：
(41)首先根据试验设计方法预先定义中等精度数值响应数据库(此处数据库指通过实验获得的数据，中等精度模型获取的数据是模拟计算得到的，需要用中等精度模型所得的数据对此处的数据库进行补充修改，得到修正后的中等精度数值响应数据库)；
(42)分别应用高等精度模型和中等精度模型计算优化循环开始的初始点x0处的目标函数和约束值；
(43)结合高等精度模型求解中等精度模型的修正因子，并修正中等精度数值响应数据库；
(44)使用修正后的中等精度数值响应数据库分析构造或更新响应面近似方程；
(45)使用响应面近似方程进行优化搜索，得到优化结果；
(46)对优化结果应用高等精度模型进行评估；
(47)满足收敛条件则计算终止，否则更新标度函数，将步骤(2)计算点更新为，并开始重新计算。
所述步骤(5)中，对榫接结构激光冲击强化的工艺参数进行多重精度优化以获取针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数，采用如下的非线性规划模型：
其中x＝{P,d,s,r}为优化问题的设计变量，P为峰值压力，d为脉冲宽度，s为光斑搭接率，r为光斑直径，F(x)为优化目标，min F(x)表示优化目标值越小越好，g(x)和h(x)为等式约束和不等式约束，s.t.为受约束的简写，表示四个设计变量的范围约束。
所述步骤(5)中，要求残余拉应力覆盖率不能超过榫接结构过渡齿面的一半。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了能够提高优化效率的多重精度优化方法，分析并建立了以响应面模型作为低等精度模型、以分析时间较短但计算速度快的榫接结构二维简化计算模型作为中等精度模型、以分析时间长但计算精度高的榫接结构二维简化计算模型作为高等精度模型的可变精度模型，完成了对榫接结构激光冲击强化的工艺参数优化，有效降低了榫接结构的危险点应力，提高了榫接结构的强度。
(2)在获得针对榫接结构的最佳的激光冲击强化工艺参数前提下，大大缩短了运算时间，提高优化效率，且克服了试验方法所得数据有限且较分散的局限性。
附图说明
图1为本发明的榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法流程图；
图2为抽取的涡轮榫接结构扇区图；
图3为划分网格后的榫接结构二维简化模型图；
图4为多重精度优化分析的基本流程图；
图5为最大应力随迭代次数的变化图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化研究方法的技术方案做进一步说明。
考虑到充分地发挥各种精度分析模型的特点，在确保得到合理优化结果的前提下，最小化计算成本所采取的多重精度优化研究方法的，其具体流程见图1。
(1)采用循环对称技术建立榫接结构模型；待研究的某型发动机Ⅱ级涡轮盘总共有68个榫槽，每个榫槽中各装有一个叶片。涡轮最大转速为4700r/min，经计算知此时对应的叶片总离心力为114755N。若对整个涡轮盘及其上叶片进行造型，则模型会很复杂，计算量很大。考虑到68个榫槽是沿涡轮盘盘缘周向均匀分布的，几何体、载荷均循环对称，为了简化模型，采取循环对称的技术建立模型，对涡轮榫接结构的分析计算不考虑振动应力、热应力、腐蚀及蠕变等因素的影响，工作温度取的是榫接部位的温度，为550℃均温。
(2)对涡轮榫接结构进行二维模型的抽取和简化；抽取涡轮榫接结构的一个扇区如图2所示，再平面化成为二维模型，通过适当的简化只保留榫头榫齿榫槽等关键部位，在榫接结构二维简化模型的边界上施加全约束，获得涡轮榫接结构二维简化模型。自定义各个位置的网格，使得网格尺寸不至于突变而带来过大的误差。榫头结构设定网格尺寸为0.5mm，自由分网；在榫齿表面，沿着接触面和过渡区截取1mm深度的体，作为重点考察的部位，并在此部位均匀分网，网格的数量为40×10，网格尺寸约为0.08mm。划分网格后的榫接结构二维简化模型如图3所示。
(3)有限元计算分析；对步骤(2)建立的榫接结构二维简化模型进行激光冲击强化处理和载荷的施加。在榫接结构底部施加径向位移约束，在三个侧面施加轴向位移约束，在需要强化的榫齿表面施加激光冲击强化载荷，利用隐式回弹实现榫接结构二维简化模型内部的应力平衡。整个二维榫接结构共有四对榫齿结构接触，并定义榫头齿面为主面(Master)，榫槽齿面为从面(Slave)，采用惩罚摩擦函数，并设置榫头榫槽间的摩擦系数为0.3。定义榫槽和榫齿间的接触并按照给定的载荷定义整个结构的离心载荷，得到榫接结构激光冲击强化的数值模型，最终通过有限元分析结果确定危险区域，发现第一对榫齿达到一个应力的极大值，为463MPa，此位置为危险位置，距离齿顶约2.89mm。
(4)确定多重精度优化的精度模型；针对同一个模型，通过不同的处理方式得到不同精度的模型应用到优化过程中即为多重精度优化。深入分析有限元分析软件的显式动态分析时间对计算结果精度的影响，发现显示分析过程中，能量耗散越完全，得到的求解结果就越精确，但是这种精确以时间消耗为代价。将冲击载荷的动能耗散较为彻底(耗散为冲击载荷初始动能的1％)的榫接结构二维简化计算模型作为高等精度模型，将能量耗散率略差(耗散为冲击载荷初始动能的2％)的榫接结构二维简化计算模型作为中等精度模型，将响应面模型作为低等精度模型，充分利用三种精度分析方法实现榫接结构激光冲击强化处理过程的多重精度优化。首先根据试验设计方法预先定义中等精度数值响应数据库；分别应用高等精度模型和中等精度模型计算优化循环开始的初始点x0处的目标函数和约束值；结合高等精度模型求解中等精度模型的修正因子并修正中等精度数值响应数据库；使用修正后的中等精度数值响应数据库分析构造或更新响应面近似方程；使用响应面近似方程进行优化搜索；对优化结果应用高等精度模型进行评估；满足收敛条件则计算终止，否则更新标度函数，将计算点更新为并开始重新计算，流程图如图4所示。
(5)获取针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数；选取脉冲宽度(d)、搭接率(r)、光斑尺寸(s)和峰值压力(P)为设计参数，其中脉冲宽度设计范围为15-40ns，初始值取28.4ns；光斑尺寸设计范围为0.5-1mm，初始值取0.8mm；峰值压力设计范围为2.8-5.0GPa，初始值为4.265GPa；搭接率设计范围为0.5-0.7，初始值为0.69。同时P、d、s和激光能量E之间满足约束条件：P2s2d＝5.47E。以最大残余压应力和残余拉应力覆盖率为优化变量，要求覆盖率不能超过整个过渡齿面的一半，结合多重精度优化的策略和三种精度模型，对榫接结构激光冲击强化的工艺参数进行多重精度优化，经过多次重复步骤(4)的迭代过程，获得步骤(3)中确定的危险区域的最大残余压应力随迭代次数的变化图如图5所示，图中的极小值为不满足约束条件的点，迭代次数最大的点表示最优点，即为针对榫接结构的最佳工艺参数。激光冲击强化后榫接结构的危险点应力降低41.10％，多重精度优化后，榫接结构的最大应力从310.6MPa降低到了273MPa，降低的幅度为12.12％。榫接结构的激光冲击强化进行工艺参数优化后，不仅使得材料表面的应力大幅度降低，而且能使应力分布更加均匀。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于，实现步骤如下：
(1)采用循环对称技术建立榫接结构模型，基于涡轮盘的榫槽沿周向均匀分布，几何体及载荷均对称的因素，模拟涡轮盘的三维涡轮榫接结构；
(2)建立涡轮盘榫接结构的二维简化模型，只保留榫接结构中的榫头、榫齿和榫槽的关键部位，其他部分以载荷或边界条件的形式施加在榫接结构二维简化模型的边界上，采用自由网格化分技术，控制网格尺寸为0.5-1mm，关键区域网格尺寸为0.08-0.10mm；
(3)有限元计算分析；对榫接结构二维简化模型进行激光冲击强化处理和载荷的施加，榫接结构的底部施加径向位移约束，榫接结构的三个侧面，即由榫槽顶部沿涡轮盘径向方向的剖面、由榫槽底部沿涡轮盘径向方向的剖面、由榫槽顶部弧面，施加轴向位移约束，在需要强化的榫齿表面施加冲击载荷，利用隐式回弹实现榫接结构二维简化模型内部的应力平衡；整个榫接结构二维简化模型共有四对榫齿结构接触，以榫头齿面为主面(Master)，榫槽齿面为从面(Slave)，设置榫头榫槽间的摩擦系数，定义榫槽和榫齿间的接触及离心载荷，得到榫接结构激光冲击强化的数值模型，最终通过有限元分析结果确定危险区域；
(4)确定多重精度优化的精度模型，所述多重精度优化是指基于同一个模型，通过不同的处理方式得到不同精度的模型应用到优化过程；针对有限元分析软件的显式动态分析时间对计算结果精度的影响，将冲击载荷的动能耗散较为彻底，即耗散为冲击载荷初始动能的1％的榫接结构二维简化计算模型作为高等精度模型，将冲击载荷的动能耗散率略差，即耗散为冲击载荷初始动能的2％的榫接结构二维简化计算模型作为中等精度模型，将响应面模型作为低等精度模型；以高等精度模型作为评估验证、模型修正的依据，以中等精度模型建立响应数据库，作为分析的基础；以响应面模型进行优化搜索，提高优化效率，从而实现榫接结构激光冲击强化处理参数多重精度优化；
(5)获取针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数：选取脉冲宽度、搭接率、光斑尺寸和峰值压力为设计参数，以最大残余压应力和残余拉应力覆盖率为优化变量，利用三种精度模型，采用非线性规划模型对榫接结构激光冲击强化的工艺参数进行多重精度优化，经过多次重复步骤(4)的迭代过程，获得步骤(3)中确定的危险区域的最大残余压应力随迭代次数的变化图，得到针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数；
所述步骤(5)中，对榫接结构激光冲击强化的工艺参数进行多重精度优化以获取针对榫接结构的激光冲击强化最佳工艺参数，采用如下的非线性规划模型：
其中x＝{P,d,s,r}为优化问题的设计变量，P为峰值压力，d为脉冲宽度，s为光斑搭接率，r为光斑直径，F(x)为优化目标，min F(x)表示优化目标值越小越好，g(x)和h(x)为等式约束和不等式约束，s.t.为受约束的简写，表示四个设计变量的范围约束。
2.根据权利要求1所述的榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用循环对称技术建立榫接结构模型的具体为：
(11)涡轮盘共有多个榫接结构，每个榫接结构具有多个榫槽，榫槽是沿涡轮盘周向均匀分布的，几何体、载荷均循环对称，每个榫槽中各装有一个叶片；
(12)选取涡轮盘的某个榫接结构，截取所述榫接结构的一半建立模型。
3.根据权利要求1所述的榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，榫头结构需要预先设定网络，设定网格尺寸为0.5-1mm，自由分网；为避免榫接结构二维简化模型的网格尺寸因突变造成较大误差，在榫齿表面沿着与另一榫齿表面的接触面和过渡区截取1-2mm深度的体均匀分网，网格尺寸为0.08-0.10mm。
4.根据权利要求1所述的榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于：所述步骤(3)中，有限元计算分析时，榫接结构二维简化模型的激光冲击强化处理和载荷的施加需要分两个阶段进行，第一阶段是显式动力学分析，第二个阶段是隐式回弹和加载，即先导入显式动力学分析结果至隐式分析求解器中进行隐式回弹，然后加载所有的载荷并获得计算结果，最终建立榫接结构的有限元模型。
5.根据权利要求1所述的榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于：所述步骤(3)中，设置榫头榫槽间的摩擦系数为0.3。
6.根据权利要求1所述的榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于：所述步骤(4)中，多重精度优化的具体为：
(41)首先根据试验设计方法预先定义中等精度数值响应数据库；
(42)分别应用高等精度模型和中等精度模型计算优化循环开始的初始点x0处的目标函数和约束值；
(43)结合高等精度模型求解中等精度模型的修正因子，并修正中等精度数值响应数据库；
(44)使用修正后的中等精度数值响应数据库分析构造或更新响应面近似方程；
(45)使用响应面近似方程进行优化搜索，得到优化结果；
(46)对优化结果应用高等精度模型进行评估；
(47)满足收敛条件则计算终止，否则更新标度函数，将步骤(2)计算点更新为xi *，并开始重新计算。
7.根据权利要求1所述的一种榫接结构激光冲击强化的多重精度优化方法，其特征在于：所述步骤(5)中，要求残余拉应力覆盖率不能超过榫接结构过渡齿面的一半。
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