CN110874503A - 面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法 - Google Patents

面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，本发明基于数字化模型驱动和SLM增材制造技术相融合的快速研发迭代技术方法，通过建立增材制造使能的高效正向研发模式，打通“设计‑仿真‑制造‑验证‑认证”一体化迭代流程和技术路径，实现航空发动机控制系统产品功能和性能最优化开发与实现；产品的研制周期和成本大幅降低，模型驱动可以解决复杂产品数字化模型高效无缝传递，大大提升产品优化设计迭代效率，研发周期缩短1倍以上；增材制造使能的设计与实现，可实现产品综合减重30%以上，也解决了复杂产品物理样机快速试制实现的“最后一公里”技术问题。

Description

面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法
技术领域
本发明涉及一种研制方法，尤其是一种面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，属于航空发动机控制系统研制的技术领域。
背景技术
航空发动机的研制是一项非常复杂的系统工程，其中诸如控制系统等系统级构架由于控制对象的复杂性和控制参数的多样性，在研发过程中仍面临着设计约束多、加工难度大、迭代周期长等问题，制约技术验证迭代成熟。此外，重量是航空发动机研制的重要指标，控制系统的重量大约占发动机重量的15％～20％左右，因此要提高发动机推重比，减轻发动机控制系统的重量是重要途径之一。
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，亦称3D打印，是一种兼顾精确成形和高性能成形的一体化制造技术，因其具有高柔性、快速成形、不受零件形状复杂程度的约束等优势而深受航空航天领域工程研究人员的青睐。增材制造技术的基本原理为：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，并分层切片，将零件的三维形状信息转化为一系列的二维轮廓信息，在计算机控制下沿特定路径逐层沉积材料，最终形成零件的三维近净形实体。在选区激光熔融(Selective LaserMelting，SLM)技术中，激光束按特定路径逐层熔化铺展在粉床上特定区域的金属粉末，最终形成形状复杂的零件。
增材制造不仅可以引导创新设计，提高部件与产品性能；而且可以大大减少零件数量，降低产品重量，更使得设计迭代变得更加快速，大大节省研制成本和研发周期。
因此，面向复杂系统产品研制，如何实现缩短型号产品的研制周期、降低新品开发成本，有着非常重要的意义和价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其可以大幅提升航空发动机控制系统复杂产品研制的效率，降低成本，并可实现显著的减重设计。
按照本发明提供的技术方案，一种面向航空防冻剂控制系统产品的快速研制方法，所述研制方法包括如下步骤：
步骤1、根据航空发动机控制系统的机械液压装置的功能需求，建立所述航空发动机控制系统的一维架构数字化模型；
步骤2、基于等壁厚包络设计方法，依据空间油路分布最佳包络壁厚原则生成三维包络空间，以初步建立机械液压装置的三维结构模型；
步骤3、对上述的机械液压装置的三维结构模型，进行增材制造工艺审查，以实现增材制造与设计协同，达到对上述的机械液压装置的三维结构模型进行修正；
步骤4、在包络空间内采用点阵结构和拓扑优化对上述的三维结构模型进行轻量化的设计，以得到机械液压装置的轻量化三维结构模型；
步骤5、对上述的轻量化三维模型进行场物理场联合仿真与优化，以得到满足设计性能指标的机械液压装置的全局最优结构模型；
步骤6、对上述全局最优结构模型中标注有粗糙度、尺寸精度、位置精度要求的表面进行增材制造(AM)工艺余量设计，并在装配模式下通过数模对比进行工艺余量的添加与审查，以得到所需的工艺余量模型；
步骤7、对工艺余量模型中与水平面夹角小于45°的悬垂结构面及易应力变形位置进行工艺支撑设计，结合SLM工艺45°自支撑特性及悬垂结构面积最小原则构建最优成形方向，根据支撑数据库生成工艺支撑，由此建立工艺支撑模型；
步骤8、对于上述的工艺支持模型，通过基于有限元方法建立的SLM跨尺度仿真模型进行熔池级工艺仿真，由此获取初始的工艺参数组合；
步骤9、将初始工艺参数组合输入至构件尺度有限元模型，通过热-应力耦合算法或固有应变算法计算构件SLM成形过程中的应力变形，获得工艺支撑模型的SLM过程仿真结果，通过分析工艺参数-模型结构-设备间的匹配性，得到最佳工艺参数；
步骤10、根据工艺设计与优化结果进行工艺设计模型确认，以建立AM工艺设计数字化模型；
步骤11、对粉末原材料进行粉末特性检测，以实现粉末原材料质量控制；
步骤12、开展SLM成形及过程控制，通过SLM设备中的内嵌式接口安装过程监控模块，采用高速相机对粉末床进行实时拍照记录，实现成形过程稳定性监控；采用高精度红外成像设备对粉床进行过程温度实时监控，实时分析成形过程的温度数据；高精度氧含量传感器可实现环境氧含量的实时监控，保证零部件的成形质量；
步骤13、SLM成形完成后形成初步的零件毛坯，并对所述零件毛坯进行所需的初步处理；
步骤14、对三维结构尺寸模型中标注的待精加工表面，进行逐一审查，并在CNC机床上按照精加工工艺规程的指导进行精加工，形成最终可交付的产品或零部件；
步骤15、对最终待交付产品或零部件进行尺寸精度与表面精度检测，以得到满足技术要求的待交付产品或零部件；
步骤16、采用X射线层析成像技术对最终待交付产品或零部件进行内部缺陷无损探伤，并剔除存在内部缺陷的产品或零部件；
步骤17、将与零件同批次成形的试棒按照国标分别加工成拉伸测试试棒和疲劳测试试棒，并分别在单向拉伸机和高频疲劳试验机上开展性能测试试验，对最终产品或零部件进行力学性能和高频疲劳性能测试，并审查产品性能是否满足技术要求，初步完成产品质量检测与评估过程；
步骤18、根据产品技术要求，对产品进行性能测试，所述测试包括进行产品级功能、性能测试试验，包括温度冲击试验、振动以及加速度试验；
步骤19、对上述性能测试合格的产品，逐级进行产品系统级、整机级的综合验证，包括产品在系统级的半物理试验和产品安装到发动机的台架试车，对产品功能、性能进行全面符合性测试，并将试验结果回归到设计一维架构和三维结构数字化模型，以此形成正向研发快速迭代过程；
步骤20、产品通过客户要求的相关考核认证后，最终完成产品交付技术状态确认，交付客户使用，至此实现整个产品基于数字化模型驱动和增材制造使能的快速研发。
步骤1中，所述功能需求包括飞行包线内供油特性或余度控制，在建立航空发动机控制系统的一维架构数字化模型时，先利用SysML软件工具建立功能需求模型，然后结合功能需求模型进行关键物理参数设计，利用AMESim软件工具建立得到一维架构数字化模型。
步骤2中，等壁厚包络方法为：σ＝F/A＝F/bh，其中，F为设计载荷，即该横截面的力，A为计算截面面积，b为截面宽度，h为截面高。
所述步骤4中，拓扑优化采用变密度法；步骤5中，进行多物理场联合仿真为流场、热场的联合仿真，并在优化后，进行开展结构强度仿真。
所述步骤11中，对粉末特性检测的类型包括化学成分、球形度、粒径分布、流动性、气孔率、振实密度以及松装密度。
步骤9中，得到初始工艺参数组合后，将工艺支撑模型转换为有限元模型，以得到构件尺度有限元模型。
本发明的优点：相比复杂产品传统研制方法或者是基于虚拟样机的研制方法，基于数字化模型驱动和增材制造使能的快速研制方法，产品的研制周期和成本大幅降低，模型驱动可以解决复杂产品数字化模型高效无缝传递，大大提升产品优化设计迭代效率，研发周期缩短1倍以上；增材制造使能的设计与实现，可实现产品综合减重30％以上，也解决了复杂产品物理样机快速试制实现的“最后一公里”技术问题。
附图说明
图1为本发明的技术流程图。
图2为本发明基于增材制造特征的工艺设计图。
图3为本发明跨尺度工艺仿真的流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了可以大幅提升航空发动机控制系统复杂产品研制的效率，本发明的研制方法包括如下步骤：
步骤1、根据航空发动机控制系统的机械液压装置的功能需求，建立所述航空发动机控制系统的一维架构数字化模型；
具体地，所述功能需求包括飞行包线内供油特性或余度控制等，在建立航空发动机控制系统的一维架构数字化模型时，先利用SysML软件工具建立功能需求模型，然后结合功能需求模型进行关键物理参数设计，利用AMESim软件工具建立得到一维架构数字化模型。所述关键物理参数一般为压力、流量、控制精度以及动态响应等，SysML软件工具以及AMESim软件工具均为本技术领域常用的软件工具，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤2、基于等壁厚包络设计方法，依据空间油路分布最佳包络壁厚原则生成三维包络空间，以初步建立机械液压装置的三维结构模型；
具体地，在功能需求与系统架构设计约束下开展三维结构设计，建立复杂产品三维结构设计数字化模型，等壁厚包络设计方法根据设计载荷和许用应力确定包络的壁厚σ，公式如下：
σ＝F/A＝F/bh
式中，F为设计载荷，即该横截面的力(一般来说，该力为剪力)，A为计算截面面积，b为截面宽度，h为截面高。
根据上述公式以及设计载荷和许用应力，能够计算出截面高h，对三维实体模型来说，即为包络的壁厚，然后根据功能性能需求完成三维结构模型的基础，再按包络的壁厚完成等壁厚包络设计。
步骤3、对上述的机械液压装置的三维结构模型，进行增材制造工艺审查，以实现增材制造与设计协同，达到对上述的机械液压装置的三维结构模型进行修正；
具体地，增材制造(AM)工艺审查提前介入三维结构设计，针对AM特征进行工艺预设计，实现AM工艺与设计协同；该阶段，工艺主要对相应的元件孔结构、整体布局情况进行分析、审查，同步开展工艺方案的预设计，将存在的问题对设计进行反馈，在设计初期进行快速迭代。
步骤4、在包络空间内采用点阵结构和拓扑优化对上述的三维结构模型进行轻量化的设计，以得到机械液压装置的轻量化三维结构模型；
具体地，在包络空间内采用点阵结构和拓扑优化对产品局部进行优化再设计，实现产品的轻量化；对于拓扑优化，主要采用变密度法。在设计域内优化时以每个单元的密度为拓扑设计变量，设计变量的个数与单元个数相等。优化分析完成后，保留密度接近1的单元，消去密度接近0的单元。设计变量的数学定义如下：
Figure BDA0002285216500000041
其中Ω是给定的设计区域，ΩS是实体材料所占的区域；Ω-ΩS是孔洞所占的区域。
结合点阵胞元结构特征，其相对密度
Figure BDA0002285216500000042
相对等效弹性模量以及剪切模量等均可以理论计算得到，在拓扑优化的过程中对设计域进行材料属性的等效更合理的反映到宏观拓扑优化当中。拓扑优化结束，结合点阵属性反馈到微观进行材料分布的优化(点阵尺寸、密度大小等)。
步骤5、对上述的轻量化三维模型进行多物理场联合仿真与优化，以得到满足设计性能指标的机械液压装置的全局最优结构模型；
具体地，对建立的三维结构模型进行多物理场联合仿真，在桌面级优化产品性能指标达到全局最优；开展流场、热场的联合仿真，确定产品的流、热场性能，并进行优化，在初步优化后，开展结构强度仿真，对优化结果进行校核迭代，最终实现满足结构强度要求的流、热场性能最优化结构设计。
还需要确认结构设计模型的符合性是否满足各项设计指标要求，如强度、流阻、振动模态等指标，最终完成零部件或产品三维结构设计数字化模型的建立。
步骤6、对上述全局最优结构模型中标注有粗糙度、尺寸精度、位置精度要求的表面进行AM工艺余量设计，并在装配模式下通过数模对比进行工艺余量的添加与审查，以得到所需的工艺余量模型；
具体地，对三维模型中标注有粗糙度、尺寸精度、位置精度要求的表面进行AM工艺余量设计，具备该特征的表面称为产品的关键表面，并在装配模式下通过数模对比进行工艺余量的添加与审查。工艺余量的设计原则为在保证精加工精度的同时尽可能减少余量，且对于较大的环腔应添加足够的余量保证成形过程中的自支撑，具体流程如图2所示。
步骤7、对工艺余量模型中与水平面夹角小于45°的悬垂结构面及易应力变形位置进行工艺支撑设计，结合SLM工艺45°自支撑特性及悬垂结构面积最小原则构建最优成形方向，根据支撑数据库生成工艺支撑，由此建立工艺支撑模型；
步骤8、对于上述的工艺支持模型，通过基于有限元方法建立的SLM跨尺度仿真模型进行熔池级工艺仿真，由此获取初始的工艺参数组合；
具体地，基于有限元方法建立的SLM跨尺度仿真模型首先进行熔池级工艺仿真，通过计算SLM成形工艺参数(如激光功率、扫描速度、铺粉层厚、光斑直径等)对激光熔池温度场分布均匀性、形态稳定性等影响，由此获取初始的较优工艺参数组合，具体流程如图3所示。
步骤9、将初始工艺参数组合输入至构件尺度有限元模型，通过热-应力耦合算法或固有应变算法计算构件SLM成形过程中的应力变形，获得工艺支撑模型的SLM过程仿真结果，通过分析工艺参数-模型结构-设备间的匹配性，得到最佳工艺参数；
具体地，将初始工艺参数组合输入至构件尺度有限元模型(即将工艺支撑模型转化为有限元模型)，通过热-应力耦合算法或固有应变算法计算构件SLM成形过程中的应力变形，获得产品工艺支撑模型的SLM过程仿真结果，通过分析工艺参数-模型结构-设备间的匹配性，最终获取规避结构热变形、应力集中、开裂等典型问题的最佳工艺参数。
步骤10、根据工艺设计与优化结果进行工艺设计模型确认，以建立AM工艺设计数字化模型；
具体地，根据工艺设计与优化结果进行工艺设计模型确认，审查模型的SLM工艺性是否满足设计要求，包括工艺余量、工艺支撑、构件整体结构的合理性，同时与结构模型进行并行协同审查与确认模型的符合性，完成AM工艺设计数字化模型的建立。
步骤11、对粉末原材料进行粉末特性检测，以实现粉末原材料质量控制；
具体地，采用相关材料检测方法对SLM成形粉末原材料进行粉末特性检测，包括但不限于：化学成分、球形度、粒径分布、流动性、气孔率、振实密度、松装密度等，确保检测结果符合指标要求，实现粉末原材料质量控制。
步骤12、开展SLM成形及过程控制，通过SLM设备中的内嵌式接口安装过程监控模块，采用高速相机对粉末床进行实时拍照记录，实现成形过程稳定性监控；采用高精度红外成像设备对粉床进行过程温度实时监控，实时分析成形过程的温度数据；高精度氧含量传感器可实现环境氧含量的实时监控，保证零部件的成形质量；
步骤13、SLM成形完成后形成初步的零件毛坯，并对所述零件毛坯进行所需的初步处理；
具体地，SLM成形完成后形成初步的零件毛坯，需经过后续热处理、线切割、去支撑、抛光和精密加工等后处理过程才能形成最终的控制系统产品实物。首先将制件毛坯按照技术要求进行热处理，以降低构件内部的残余应力，缓解应力集中水平；而后对毛坯进行线切割和去支撑工序，将构件与基板和支撑分离；由于零件内部设计有复杂的燃油流道，经SLM成形后的流道内壁粘有部分残余物或挂渣，因此需进行表面光整加工以进一步提高表面质量，至此完成产品毛坯的后处理。
步骤14、对三维结构尺寸模型中标注的待精加工表面，进行逐一审查，并在CNC机床上按照精加工工艺规程的指导进行精加工，形成最终可交付的产品或零部件；
具体地，具体实施过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤15、对最终待交付产品或零部件进行尺寸精度与表面精度检测，以得到满足技术要求的待交付产品或零部件；
具体地，对最终待交付产品或零部件进行尺寸精度与表面精度(包括内表面精度和外表面精度)检测，并审查是否满足产品技术要求。根据SLM成形航空发动机控制系统产品技术要求，产品非机加面尺寸精度不低于±0.15mm，后处理内、外表面粗糙度<Ra6.3μm。
步骤16、采用X射线层析成像技术对最终待交付产品或零部件进行内部缺陷无损探伤，并剔除存在内部缺陷的产品或零部件；
具体地，采用X射线层析成像技术对最终待交付产品或零部件进行内部缺陷无损探伤，检测内容包括但不限于：内部孔洞缺陷、内部残余污染物、相贯面残余毛刺等，其中规定零件内部不允许有明显裂纹，孔洞最大直径<0.1mm，孔洞数量在10cm×10cm面积上≤10个，并审查检测项是否满足技术要求。
步骤17、将与零件同批次成形的试棒按照国标分别加工成拉伸测试试棒和疲劳测试试棒，并分别在单向拉伸机和高频疲劳试验机上开展性能测试试验，对最终产品或零部件进行力学性能和高频疲劳性能测试，并审查产品性能是否满足技术要求，初步完成产品质量检测与评估过程；
具体地，具体试验的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤18、根据产品技术要求，对产品进行性能测试，所述测试包括进行产品级功能、性能测试试验，包括温度冲击试验、振动以及加速度试验；
步骤19、对上述性能测试合格的产品，逐级进行产品系统级、整机级的综合验证，包括产品在系统级的半物理试验和产品安装到发动机的台架试车，对产品功能、性能进行全面符合性测试，并将试验结果回归到设计一维架构和三维结构数字化模型，以此形成正向研发快速迭代过程；
步骤20、产品通过客户要求的相关考核认证后，最终完成产品交付技术状态确认，交付客户使用，至此实现整个产品基于数字化模型驱动和增材制造使能的快速研发。
综上，由虚拟模型到物理实现的模型的数字化传递过程，主要分为三个阶段：即结构模型设计过程、工艺模型设计过程和模型打印实现过程。具体地，
在结构模型设计过程中，首先根据航空发动机控制系统功能需求进行指标分析与架构设计，同时结合发动机控制系统理论原型进行相关物理参数定义，在功能需求与系统架构设计约束下开展三维结构设计，并运用拓扑优化、等壁厚包络设计方法等实现复杂油路空间布局、结构强度、重量等指标的多目标全局最优，最终实现面向增材制造工艺的控制系统复杂构件集约化结构模型构建；而后采用多物理场联合仿真技术，综合考虑真实运行场景下热场、应力场、流场、电磁场等载荷效应，将仿真结果直接迭代回归至集约化模型本身，实现设计端的快速迭代优化；最后是结构设计与工艺设计的符合性确认，由于增材制造工艺的特殊性，需要对结构模型的关键表面进行工艺设计(余量设计)，以此保证足够的精加工余量，模型完成符合性确认后才能将结构模型传递至下一阶段。
工艺模型设计过程的主要特点是进行虚拟仿真成形，主要实现模型成形方向和支撑设计、成形工艺仿真、参数化机器语言三者间的迭代优化。将上一级传递来的模型(工艺设计结果)导入虚拟打印平台，进行初步成形方向和支撑结构设计；对于控制系统复杂构件而言，构件的合理成形方向不仅可以避免截面突变带来的打印风险，还能提高内部流道的成形质量；支撑结构设计保证在支撑面积最小的条件下实现成功打印；如何验证支撑设计是否合理以及工艺参数是否达到最优，则需要在两者之间采用多尺度成形工艺仿真的方法进行迭代优化。将最终的工艺支撑模型进行切片分层处理，并根据工艺仿真结果设置打印的工艺参数，形成一系列参数化的机器语言控制设备进行打印成形。
模型打印实现过程，包含数字化结构模型转化为实体构件及后续质量性能检测的所有过程。由于虚拟仿真成形不能百分之百预测实际打印过程中的诸多问题，且金属粉末床熔融过程非常复杂，因此虚拟仿真成形质量的过程控制显得尤为重要。在过程控制中，氧含量是一个非常关键的指标，对构件的冶金质量有重要影响，因此需将成形过程的氧含量控制在合理范围；熔池以及构件表面温度变化对熔池稳定性、缺陷产生倾向、热应力演化很敏感，可借助红外热成像等技术对成形过程温度进行实时监测，为工艺优化提供数据支撑；同时，设备内置的监控相机可实现铺粉、烧结质量的实时监测，及时发现打印风险，形成质量保证与追溯的闭环控制系统。
在模型的数字化传递过程中，基于设计软件平台的开放接口高效地无缝对接和传递不同设计阶段的数字化模型，使得三维主模型贯穿设计制造全流程，实现数字化模型驱导下的设计制造一体化。跟传统MBD方法不同的是，由于SLM工艺审查的提前介入，可根据SLM的工艺性对结构三维设计提出审查意见，避免在完成最终的三维设计模型后由于工艺性不足而产生再次迭代，大幅度提高了三维结构设计的效率。在结构三维数字化模型完成设计后，开展进一步的工艺模型设计，由于工艺的提前介入，传递至工艺设计阶段的数字化模型已经具有SLM工艺特征，如特定的构件摆放角度、针对流道成形质量改善的油路空间布局、避免多余支撑的自支撑结构等，在此基础上显著提高了模型工艺设计的效率。在完成工艺余量设计和工艺支撑设计后，将工艺模型转化为有限元模型进行成形工艺仿真，预测制造的符合性与风险。在进行SLM成形制造前，模型还需进一步转换为机器语言指导成形设备，即将工艺设计完成的数字化模型进行分层切片的降维处理，将模型的三维结构信息转化为一系列二维轮廓信息，完成3D打印的构件物理实现过程，根据三维结构设计的图纸信息进行最终的精加工，获得精加工后的构件产品。这样的过程，将设计与制造工艺完全协同一体化，能够大幅提高研制效率。

Claims (6)

1.一种面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其特征是，所述研制方法包括如下步骤：
步骤1、根据航空发动机控制系统的机械液压装置的功能需求，建立所述航空发动机控制系统的一维架构数字化模型；
步骤2、基于等壁厚包络设计方法，依据空间油路分布最佳包络壁厚原则生成三维包络空间，以初步建立机械液压装置的三维结构模型；
步骤3、对上述的机械液压装置的三维结构模型，进行增材制造工艺审查，以实现增材制造与设计协同，达到对上述的机械液压装置的三维结构模型进行修正；
步骤4、在包络空间内采用点阵结构和拓扑优化对上述的三维结构模型进行轻量化的设计，以得到机械液压装置的轻量化三维结构模型；
步骤5、对上述的轻量化三维模型进行场物理场联合仿真与优化，以得到满足设计性能指标的机械液压装置的全局最优结构模型；
步骤6、对上述全局最优结构模型中标注有粗糙度、尺寸精度、位置精度要求的表面进行增材制造（AM）工艺余量设计，并在装配模式下通过数模对比进行工艺余量的添加与审查，以得到所需的工艺余量模型；
步骤7、对工艺余量模型中与水平面夹角小于45°的悬垂结构面及易应力变形位置进行工艺支撑设计，结合SLM工艺45°自支撑特性及悬垂结构面积最小原则构建最优成形方向，根据支撑数据库生成工艺支撑，由此建立工艺支撑模型；
步骤8、对于上述的工艺支持模型，通过基于有限元方法建立的SLM跨尺度仿真模型进行熔池级工艺仿真，由此获取初始的工艺参数组合；
步骤9、将初始工艺参数组合输入至构件尺度有限元模型，通过热-应力耦合算法或固有应变算法计算构件SLM成形过程中的应力变形，获得工艺支撑模型的SLM过程仿真结果，通过分析工艺参数-模型结构-设备间的匹配性，得到最佳工艺参数；
步骤10、根据工艺设计与优化结果进行工艺设计模型确认，以建立AM工艺设计数字化模型；
步骤11、对粉末原材料进行粉末特性检测，以实现粉末原材料质量控制；
步骤12、开展SLM成形及过程控制，通过SLM设备中的内嵌式接口安装过程监控模块，采用高速相机对粉末床进行实时拍照记录，实现成形过程稳定性监控；采用高精度红外成像设备对粉床进行过程温度实时监控，实时分析成形过程的温度数据；高精度氧含量传感器可实现环境氧含量的实时监控，保证零部件的成形质量；
步骤13、SLM成形完成后形成初步的零件毛坯，并对所述零件毛坯进行所需的初步处理；
步骤14、对三维结构尺寸模型中标注的待精加工表面，进行逐一审查，并在CNC机床上按照精加工工艺规程的指导进行精加工，形成最终可交付的产品或零部件；
步骤15、对最终待交付产品或零部件进行尺寸精度与表面精度检测，以得到满足技术要求的待交付产品或零部件；
步骤16、采用X射线层析成像技术对最终待交付产品或零部件进行内部缺陷无损探伤，并剔除存在内部缺陷的产品或零部件；
步骤17、将与零件同批次成形的试棒按照国标分别加工成拉伸测试试棒和疲劳测试试棒，并分别在单向拉伸机和高频疲劳试验机上开展性能测试试验，对最终产品或零部件进行力学性能和高频疲劳性能测试，并审查产品性能是否满足技术要求，初步完成产品质量检测与评估过程；
步骤18、根据产品技术要求，对产品进行性能测试，所述测试包括进行产品级功能、性能测试试验，包括温度冲击试验、振动以及加速度试验；
步骤19、对上述性能测试合格的产品，逐级进行产品系统级、整机级的综合验证，包括产品在系统级的半物理试验和产品安装到发动机的台架试车，对产品功能、性能进行全面符合性测试，并将试验结果回归到设计一维架构和三维结构数字化模型，以此形成正向研发快速迭代过程；
步骤20、产品通过客户要求的相关考核认证后，最终完成产品交付技术状态确认，交付客户使用，至此实现整个产品基于数字化模型驱动和增材制造使能的快速研发。
2.根据权利要求1所述的面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其特征是：步骤1中，所述功能需求包括飞行包线内供油特性或余度控制等，在建立航空发动机控制系统的一维架构数字化模型时，先利用SysML软件工具建立功能需求模型，然后结合功能需求模型进行关键物理参数设计，利用AMESim软件工具建立得到一维架构数字化模型。
3.根据权利要求1所述的面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其特征是，步骤2中，等壁厚包络方法为：σ=F/A=F/bh，其中，F为设计载荷，即该横截面的力，A为计算截面面积，b为截面宽度，h为截面高。
4.根据权利要求1所述的面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其特征是，所述步骤4中，拓扑优化采用变密度法；步骤5中，进行多物理场联合仿真为流场、热场的联合仿真，并在优化后，进行结构强度仿真。
5.根据权利要求1所述的面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其特征是，所述步骤11中，对粉末特性检测的类型包括化学成分、球形度、粒径分布、流动性、气孔率、振实密度以及松装密度。
6.根据权利要求1所述的面向航空发动机控制系统产品的快速研制方法，其特征是，步骤9中，得到初始工艺参数组合后，将工艺支撑模型转换为有限元模型，以得到构件尺度有限元模型。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111783272A (zh) * 2020-05-21 2020-10-16 中国电子科技集团公司第十四研究所 一种复杂大型机电混装三维模型简化方法
CN112139500A (zh) * 2020-09-28 2020-12-29 中国科学院工程热物理研究所 具有内部流道的发动机轴承座的制造方法
CN112170843A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 中国航发动力股份有限公司 一种旋流器流道的激光选区熔化成形工艺模型确定方法
CN112719290A (zh) * 2020-12-09 2021-04-30 北京航星机器制造有限公司 工件的制造方法和制造系统
CN113127991A (zh) * 2021-04-23 2021-07-16 江苏徐工工程机械研究院有限公司 一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法
CN113759727A (zh) * 2021-09-30 2021-12-07 中国航发控制系统研究所 航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法
CN114309642A (zh) * 2020-09-29 2022-04-12 中国航发商用航空发动机有限责任公司 航空发动机部件的增材制造方法和可读存储介质
CN115178625A (zh) * 2022-07-08 2022-10-14 江西洪都航空工业集团有限责任公司 一种制造导管实样的方法
CN115475960A (zh) * 2022-09-21 2022-12-16 南京联空智能增材研究院有限公司 一种316l不锈钢材料舱体的电弧增材制造方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
丁晓红主编: "《机械装备结构设计》", 30 January 2018 *
宋文清等: "增材制造技术在航空发动机中的应用展望", 《航空制造技术》 *
张驰等: "航天耐高温钛合金零件3D打印质量优化研究", 《计算机仿真》 *
陆璐: "增材制造技术在航空铸造领域的应用", 《材料导报》 *
陈静等: "增材制造使能的航空发动机复杂构件快速研发", 《工程设计学报》 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111783272A (zh) * 2020-05-21 2020-10-16 中国电子科技集团公司第十四研究所 一种复杂大型机电混装三维模型简化方法
CN111783272B (zh) * 2020-05-21 2023-11-14 中国电子科技集团公司第十四研究所 一种复杂大型机电混装三维模型简化方法
CN112139500A (zh) * 2020-09-28 2020-12-29 中国科学院工程热物理研究所 具有内部流道的发动机轴承座的制造方法
CN112170843B (zh) * 2020-09-29 2023-01-31 中国航发动力股份有限公司 一种旋流器流道的激光选区熔化成形工艺模型确定方法
CN112170843A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 中国航发动力股份有限公司 一种旋流器流道的激光选区熔化成形工艺模型确定方法
CN114309642B (zh) * 2020-09-29 2024-01-12 中国航发商用航空发动机有限责任公司 航空发动机部件的增材制造方法和可读存储介质
CN114309642A (zh) * 2020-09-29 2022-04-12 中国航发商用航空发动机有限责任公司 航空发动机部件的增材制造方法和可读存储介质
CN112719290A (zh) * 2020-12-09 2021-04-30 北京航星机器制造有限公司 工件的制造方法和制造系统
CN112719290B (zh) * 2020-12-09 2022-10-14 北京航星机器制造有限公司 工件的制造方法和制造系统
CN113127991A (zh) * 2021-04-23 2021-07-16 江苏徐工工程机械研究院有限公司 一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法
CN113127991B (zh) * 2021-04-23 2024-03-01 江苏徐工工程机械研究院有限公司 一种液压阀块及液压阀块的轻量化设计方法
CN113759727B (zh) * 2021-09-30 2023-08-29 中国航发控制系统研究所 航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法
CN113759727A (zh) * 2021-09-30 2021-12-07 中国航发控制系统研究所 航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法
CN115178625A (zh) * 2022-07-08 2022-10-14 江西洪都航空工业集团有限责任公司 一种制造导管实样的方法
CN115475960A (zh) * 2022-09-21 2022-12-16 南京联空智能增材研究院有限公司 一种316l不锈钢材料舱体的电弧增材制造方法

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