CN112395698A - 一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，包括如下步骤：1）提取两层板空心叶片的各空心型腔表面并缝合填充形成多个实体化空心型腔；2）得到分瓣空心叶片和分瓣实体化空心型腔；3）实现分瓣空心叶片及分瓣实体化空心型腔的逆向扭转及整平有限元模拟；4）得到两瓣带有空心型腔与加强筋结构的空心叶片毛坯；5）对比模拟结果及空心叶片数模，修整叶片毛坯，添加机械加工余量，完成两层板空心叶片毛坯设计。本发明的方法依据空心叶片模型及其成形过程变形分析，对空心叶片进行毛坯展开计算，为两层板空心叶片制造提供准确的毛坯数模，保障叶片外形以及空心型腔与加强筋结构的成形精度。

Description

一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法
技术领域
本发明属于叶片精密塑性成形领域，具体指代一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法。
背景技术
宽弦空心风扇叶片能够有效提升航空发动机性能，其精密成形技术是先进航空发动机制造领域的关键技术之一。航空发动机宽弦空心风扇叶片叶身由两侧蒙皮及中间加强筋组成，通常为变截面结构且具有一定扭转角度，内部空心结构通过加强筋分隔出多个空心型腔，可以在保证承载能力前提下实现减重目的。常见的航空发动机两层板宽弦空心风扇叶片成形过程为：首先应用高温扩散将两瓣预先加工出空心结构的叶片毛坯连接为一个整体，然后通过高温扭转预成形出叶片基本形状，再在热压模具中进行热冲压及高温气压胀形，最终通过机械加工去除余量完成空心叶片精加工。在成形过程中空心叶片毛坯经过了多道次塑性变形，材料流动复杂，若空心叶片毛坯设计不准确将造成成形后局部材料不足、空心型腔及加强筋偏离设计要求等缺陷。空心叶片毛坯决定了叶片蒙皮外形、空心型腔及加强筋结构的尺寸精度，影响了叶片气动、质量、刚度、强度及振动等关键性能。另一方面，空心叶片毛坯也决定了机械精加工量，精确的毛坯设计能够有效节约材料、时间等成本。因此，空心叶片毛坯计算对于保证空心叶片外形精度、使用性能、提高生产效率以及控制生产成本具有重要意义。
对于形状不规则的复杂零件，采用经验解析等方法难以获得准确的毛坯形状，基于有限元方法进行毛坯计算能够提高毛坯设计精确性及效率。目前，针对外形复杂的航空发动机空心风扇叶片的毛坯计算方法较少。中国发明专利申请号为CN201510824140.5，名称为“一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法”中实现了辊轧实心叶片的毛坯计算，但是其数值模拟过程中叶片变形方式与空心叶片的成形过程差异巨大，且未考虑叶片分瓣以及空心结构设计。中国发明专利申请号为CN201310457237.8，名称为“一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法”中通过中性面对叶片进行分瓣划分，然而在展平模拟中其简单的对实心叶片采用两刚性平面直接加压，不能充分考虑叶片扭转过程的材料流动，易导致叶片毛坯局部材料不足或冗余，后续毛坯设计修整工作量大，而且也未考虑空心型腔及加强筋结构的逆向展开，无法获得可实现空心结构设计的空心叶片毛坯。上述方法获得的叶片毛坯能够保证成形叶片的外表面形状尺寸，但由于未考虑空心型腔及加强筋设计要求，因此不能实现空心叶片毛坯的精确计算。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，以解决现有毛坯计算方法无法实现航空发动机两层板宽弦空心风扇叶片空心结构设计的问题。本发明的方法依据空心叶片模型及其成形过程变形分析，应用有限元仿真方法，对空心叶片进行毛坯展开计算，为两层板空心叶片制造提供准确的毛坯数模，保障叶片外形以及空心型腔与加强筋结构的成形精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，包括如下步骤：
1）提取两层板空心叶片的各空心型腔表面并缝合填充形成多个实体化空心型腔；
2）依据空心叶片三维数模叶盆及叶背型面作中性面，将空心叶片及实体化空心型腔各分割为两瓣，从而得到分瓣空心叶片和分瓣实体化空心型腔；
3）将分瓣实体化空心型腔的非分割面与各自相对应的分瓣空心叶片的空心型腔内的表面进行位移及转动约束完全绑定，分瓣实体化空心型腔分割面、分瓣空心叶片分割面均与中性面的位移及转动约束完全绑定，对中性面进行逆向扭转以及刚性平面加压整平有限元模拟，并通过绑定位移及转动约束实现分瓣空心叶片及分瓣实体化空心型腔的逆向扭转及整平有限元模拟；
4）基于逆向扭转及整平有限元模拟结果中的分瓣空心叶片有限元单元节点坐标，在三维造型软件中构建逆向扭转及加压整平后的分瓣空心叶片的三维数字模型，得到两瓣带有空心型腔与加强筋结构的空心叶片毛坯；
5）基于获得的空心叶片毛坯进行空心叶片成形过程模拟，对比模拟结果及空心叶片数模，修整叶片毛坯，添加机械加工余量，完成两层板空心叶片毛坯设计。
进一步地，所述步骤1）具体包括：两层板空心叶片的每个空心型腔具有六个内表面，将同一空心型腔的六个表面缝合为一个封闭的整体，通过填充形成实体，获得多个实体化空心型腔。
进一步地，所述步骤2）具体包括：依据空心叶片三维数模叶盆及叶背型面作空心叶片中性面，且以中性面为分割面将空心叶片及实体化空心型腔各分割为两瓣，从而得到分瓣空心叶片a、分瓣空心叶片b、分瓣实体化空心型腔a及分瓣实体化空心型腔b。
进一步地，所述步骤3）具体包括：完全绑定分瓣实体化空心型腔a的各个非分割面与分瓣空心叶片a的空心型腔对应的各个内表面的位移及转动约束，完全绑定分瓣实体化空心型腔b的各个非分割面与分瓣空心叶片b空心型腔对应的各个内表面的位移及转动约束，分别将分瓣实体化空心型腔a的分割面、分瓣实体化空心型腔b的分割面、分瓣空心叶片a的分割面及分瓣空心叶片b的分割面与中性面进行位移及转动约束完全绑定，在多个截面内同时通过多个扭转刚体按照各自设计扭转角度对中性面逆向扭转有限元模拟，通过位于逆向扭转后中性面两侧相互平行的两刚性平面相向运动对中性面进行加压整平有限元模拟，在位移及转动约束完全绑定作用下，分瓣实体化空心型腔a、分瓣实体化空心型腔b、分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b随中性面同时完成逆向扭转及加压整平有限元模拟。
进一步地，所述步骤4）具体包括：提取逆向扭转及加压整平有限元模拟后的分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b各表面的有限元单元节点坐标，输入三维造型软件构建逆向扭转及加压整平后的分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b的三维数字模型，从而获得带有空心型腔与加强筋结构的分瓣空心叶片毛坯a及分瓣空心叶片毛坯b。
进一步地，所述步骤5）具体包括：基于获得的分瓣空心叶片毛坯a及分瓣空心叶片毛坯b，导入有限元模拟软件中进行空心叶片成形过程有限元模拟，对比模拟结果及设计要求的空心叶片模型，修整分瓣空心叶片毛坯a及分瓣空心叶片毛坯b，添加机械加工余量，完成两层板空心叶片毛坯设计。
本发明的有益效果：
通过本发明的方法进行航空发动机两层板宽弦空心风扇叶片毛坯计算，可以为空心叶片精确成形提供准确的毛坯模型，能够保证叶片最终外形以及其内部空心结构达到设计要求，克服现有叶片毛坯设计方法采用非成形过程逆向加载以及忽略空心结构设计进行展平计算的缺点。
附图说明
图1为两层板空心叶片模型及实体化空心型腔模型示意图。
图2为通过空心叶片中性面划分两层板空心叶片模型及实体化空心型腔模型获得的分瓣空心叶片与分瓣实体化空心型腔示意图。
图3为空心叶片中性面逆向扭转截面及截面线示意图。
图4为空心叶片中性面在平面9内逆向扭转中心及扭转角度计算示意图。
图5为空心叶片逆向扭转有限元模型装配图。
图6为逆向扭转后空心叶片刚性平面整平有限元模型装配图。
图7为两瓣空心叶片毛坯示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本发明的一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，包括如下步骤：
（1）在三维造型软件CATIA中提取两层板空心叶片模型1的各空心型腔面并封闭填充形成多个实体化空心型腔2，如图1所示。
（2）依据空心叶片三维数模叶盆及叶背型面，在UG软件中应用中性面命令作空心叶片中性面3，且以中性面为分割面将空心叶片及实体化空心型腔各分割为两瓣，从而得到分瓣空心叶片a4、分瓣空心叶片b5、分瓣实体化空心型腔a6及分瓣实体化空心型腔b7，如图2所示。
（3）以空心叶片榫头底部平面8所在平面为基准作四个平行平面9、10、11及12作为空心叶片逆向扭转平面，相邻两个平面间距为110mm，且获取各平面与空心叶片中性面3相交线13、14、15、16及17，如图3所示。
（4）在叶片榫头底部平面8内作相交线14的垂直投影线18，过相交线13两端点做直线19，作直线20与直线19平行且与相交线13相切，作直线21为直线20与直线19的等距线，过投影线18两端点做直线22，作直线23与直线22平行且与投影线18相切，作直线24为直线22与直线23的等距线，过直线21与直线24交点o作垂直于平面8的直线即为空心叶片在平面9内的逆向扭转中心，直线21与直线24的夹角α即为逆向扭转角，如图4所示。
（5）依据上述步骤（4）的方法计算空心叶片在平面10、11及12内的逆向扭转中心及扭转角度。
（6）构建空心叶片逆向扭转有限元模型；参照图5所示，刚体25为实现平面9内空心叶片扭转的刚性方框，其开口尺寸完全包容平面9偏移±25mm范围内的空心叶片中性面,其扭转中心及扭转角度通过上述步骤（4）确定。按上述方法构建刚体26、27及28以实现平面10、11及12内空心叶片扭转，各刚体扭转中心及扭转角度由上述步骤（5）计算结果提供。空心叶片逆向扭转有限元模型中，空心叶片材料应力应变曲线由750℃下0.001/s-1/s应变速率范围内的TC4钛合金拉伸试验结果确定。交线13位移及转动完全约束，分瓣空心叶片a4及分瓣空心叶片b5的榫头底部平面的位移及转动完全约束，分瓣空心叶片a4、分瓣空心叶片b5、分瓣实体化空心型腔a6及分瓣实体化空心型腔b7的分割面与空心叶片中性面3的位移及转动约束完全绑定，分瓣实体化空心型腔a6的非分割面与分瓣空心叶片a4空心型腔内表面位移及转动约束完全绑定，分瓣实体化空心型腔b7的非分割面与分瓣空心叶片b5空心型腔内表面位移及转动约束完全绑定。扭转刚体25、26、27及28按照各自扭转中心及扭转角度同步进行匀速扭转，扭转时间为1800秒。逆向扭转有限元模拟过程中，由于分瓣实体化空心型腔结构限制了分瓣空心叶片蒙皮及加强筋的变形，能够避免空心叶片蒙皮塌陷及加强筋畸变，如图6所示。
（7）基于上述步骤（6）逆向扭转模拟结果，对逆向扭转后的空心叶片进行刚性平面整平有限元模型构建。逆向扭转后的叶片中性面29、逆向扭转后的分瓣空心叶片b30、逆向扭转后的分瓣空心叶片a31、逆向扭转后的实体化空心型腔a32与逆向扭转后的实体化空心型腔b33的位移及转动约束条件继承步骤（6）中的约束条件，逆向扭转后的分瓣空心叶片b30、逆向扭转后的分瓣空心叶片a31、逆向扭转后的实体化空心型腔a32及逆向扭转后的实体化空心型腔b33的分割面与逆向扭转后的叶片中性面29的位移及转动约束完全绑定，逆向扭转的分瓣实体化空心型腔a32的非分割面与逆向扭转后的分瓣空心叶片a31空心型腔内表面位移及转动约束完全绑定，逆向扭转的分瓣实体化空心型腔b33的非分割面与逆向扭转后的分瓣空心叶片b30空心型腔内表面位移及转动约束完全绑定。作平面8的垂直平面且与直线21距离为200mm的反向两刚性平面34及35,刚性平面34及35沿与其垂直方向相向运动，各自位移均为200mm，对逆向扭转后的叶片中性面29进行整平，同时通过位移及转动约束实现逆向扭转后的分瓣空心叶片b30、逆向扭转后的分瓣空心叶片a31、逆向扭转后的实体化空心型腔a32与逆向扭转后的实体化空心型腔b33的整平。刚性平面整平有限元模拟过程中，由于分瓣实体化空心型腔结构限制分瓣空心叶片蒙皮及加强筋的变形，能够避免空心叶片蒙皮塌陷及加强筋畸变。
（8）基于上述步骤（7）的整平模拟结果，在有限元软件中提取刚性平面整平模拟后的分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b的各外形面有限元单元节点坐标，输入在三维造型软件CATIA中定义散点，依据散点进行模型重构，得到两瓣带有空心型腔与加强筋结构的空心叶片毛坯34及35，如图7所示。
（9）基于获得的空心叶片毛坯34及35进行空心叶片成形过程模拟，对比模拟结果及空心叶片数模，修整叶片毛坯，添加机械加工余量，完成两层板空心叶片毛坯设计。
本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提取两层板空心叶片的各空心型腔表面并缝合填充形成多个实体化空心型腔；
2）依据空心叶片三维数模叶盆及叶背型面作中性面，将空心叶片及实体化空心型腔各分割为两瓣，从而得到分瓣空心叶片和分瓣实体化空心型腔；
3）将分瓣实体化空心型腔的非分割面与各自相对应的分瓣空心叶片的空心型腔内的表面进行位移及转动约束完全绑定，分瓣实体化空心型腔分割面、分瓣空心叶片分割面均与中性面的位移及转动约束完全绑定，对中性面进行逆向扭转以及刚性平面加压整平有限元模拟，并通过绑定位移及转动约束实现分瓣空心叶片及分瓣实体化空心型腔的逆向扭转及整平有限元模拟；
4）基于逆向扭转及整平有限元模拟结果中的分瓣空心叶片有限元单元节点坐标，构建逆向扭转及加压整平后的分瓣空心叶片的三维数字模型，得到两瓣带有空心型腔与加强筋结构的空心叶片毛坯；
5）基于获得的空心叶片毛坯进行空心叶片成形过程模拟，对比模拟结果及空心叶片数模，修整叶片毛坯，添加机械加工余量，完成两层板空心叶片毛坯设计。
2.根据权利要求1所述的可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，其特征在于，所述步骤1）具体包括：两层板空心叶片的每个空心型腔具有六个内表面，将同一空心型腔的六个表面缝合为一个封闭的整体，通过填充形成实体，获得多个实体化空心型腔。
3.根据权利要求1所述的可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，其特征在于，所述步骤2）具体包括：依据空心叶片三维数模叶盆及叶背型面作空心叶片中性面，且以中性面为分割面将空心叶片及实体化空心型腔各分割为两瓣，从而得到分瓣空心叶片a、分瓣空心叶片b、分瓣实体化空心型腔a及分瓣实体化空心型腔b。
4.根据权利要求3所述的可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，其特征在于，所述步骤3）具体包括：完全绑定分瓣实体化空心型腔a的各个非分割面与分瓣空心叶片a的空心型腔对应的各个内表面的位移及转动约束，完全绑定分瓣实体化空心型腔b的各个非分割面与分瓣空心叶片b空心型腔对应的各个内表面的位移及转动约束，分别将分瓣实体化空心型腔a的分割面、分瓣实体化空心型腔b的分割面、分瓣空心叶片a的分割面及分瓣空心叶片b的分割面与中性面进行位移及转动约束完全绑定，在多个截面内同时通过多个扭转刚体按照各自设计扭转角度对中性面逆向扭转有限元模拟，通过位于逆向扭转后中性面两侧相互平行的两刚性平面相向运动对中性面进行加压整平有限元模拟，在位移及转动约束完全绑定作用下，分瓣实体化空心型腔a、分瓣实体化空心型腔b、分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b随中性面同时完成逆向扭转及加压整平有限元模拟。
5.根据权利要求4所述的可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，其特征在于，所述步骤4）具体包括：提取逆向扭转及加压整平有限元模拟后的分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b各表面的有限元单元节点坐标，输入三维造型软件构建逆向扭转及加压整平后的分瓣空心叶片a及分瓣空心叶片b的三维数字模型，从而获得带有空心型腔与加强筋结构的分瓣空心叶片毛坯a及分瓣空心叶片毛坯b。
6.根据权利要求5所述的可实现空心结构设计的空心叶片毛坯计算方法，其特征在于，所述步骤5）具体包括：基于获得的分瓣空心叶片毛坯a及分瓣空心叶片毛坯b，导入有限元模拟软件中进行空心叶片成形过程有限元模拟，对比模拟结果及设计要求的空心叶片模型，修整分瓣空心叶片毛坯a及分瓣空心叶片毛坯b，添加机械加工余量，完成两层板空心叶片毛坯设计。
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