CN112836297A - 基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，包括：S1，设计多组铸造数值模拟BBD方案；S2，对数值模拟进行网格划分，依次对S1设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；S3，以合金浇注温度、型壳温度和缩放因子作为变量因素，铸件平均直径变化量、圆度为评价指标，建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型；S4，计算出较优的因素水平组合值，优化出最佳的因素水平组合值。本发明可以明显减小铸件变形，尤其是针对圆度、平均直径的目标优化，提升铸件质量，满足公差等级CT4，可用于铸造新工艺开发。
Description
技术领域
本发明涉及航空制造技术领域，具体地，涉及一种基于集成计算与容差设计的高温合金铸件尺寸精确调控方法。
背景技术
我国的航空熔模精密铸造技术，特别是在高温合金、钛合金及铝合金等材料的应用上取得了长足的进步。不仅缩短了航空产品的周期、减轻了产品的重量、降低了成本，而且对加速我国航空产品更新换代和提高新机性能均有重要作用，已成为航空制造技术的重要支柱产业之一。高温合金熔模精铸技术的发展不仅促进了航空发动机性能与设计技术的发展，同时也带动了其他合金如钛合金、铝、镁合金等熔模精铸技术水平的提高。
近几十年来，航空燃气涡轮发动机的性能及设计结构在不断改进、不断提高。随之而来，发动机上机匣类零件的材料、结构也发生了很大变化，越来越多的难加工材料和复合材料被采用，机匣件的制造难度越来越大，这就要求制造机匣零件的工艺方法也需要不断改进。航空发动机的叶片、压气机环、涡轮盘、轴、燃烧室、加力燃烧室部件、高温合金紧固件等多种部件均采用高温合金材料。高温合金在航空产业之所以如此著名，是因为其长期在高温条件下具有良好的抗氧化性、抗蠕变性和持久强度。因此，高温合金零件的加工工艺的改进是制造业的一个重要课题。特别是对壁厚在2mm以下型面较为复杂的机匣的加工，其变形量的控制更是机匣制造技术提升的关键。从目前机匣零件的生产加工来看，薄壁环形机匣零件在加工过程中的变形和试车、试飞后的变形都将影响机匣的质量及装配互换性的要求，而现在多型号的零件均已转入批量生产状态，所以，解决薄壁环形机匣零件的变形问题已迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法。
本发明的第一方面，提供一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，包括：
S1，以合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3为影响因素，设计多组铸造数值模拟BBD方案；
S2，对数值模拟进行网格划分，包括2D网格和3D网格划分，并检查网格质量，随后，输入材料参数与初始条件，设置合金材料类型型壳材料类型、界面换热系数以及工艺条件；针对铸造产品对象，依次对S1设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，每组数值模拟结束后，提取结果并可视化后作数据存储，计算铸件尺寸误差，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；所述考核数据包括合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3；
S3，以S2的前处理参数中合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3作为变量因素，铸件平均直径变化量y1，圆度y2为评价指标，建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型；
S4，基于S4得到的响应面近似模型，采用NSGA-II多目标优化方法计算出较优的因素水平组合值，通过对照Pareto解，得出期望组合，从而优化出最佳的因素水平组合值，即合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的最佳组合值。
可选地，在S4之后，还包括：
S5，将优化后的合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3实施新的铸件浇注工艺，按照铸造数值模拟前处理的浇注温度、型壳温度、浇注速度方案，进行铸造试验验证。
可选地，S3中，所述建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型，包括：
分别将N组铸造仿真数值模拟试验中的综合质量损失作为响应值，影响因素作为自变量，建立综合质量损失y与影响因素x之间的二阶响应面模型，采用数学规划策略求解最优的参数组合值。
可选地，所述二阶响应面模型，具体如下：
其中，wk为各项质量损失的权重，ti1和ti2分别为各显著影响因素的上下限水平，yk为评价指标，bk0，bki，bkii，bkij分别为响应面模型的各阶回归系数，xi为第i个变量因素，xj为第j个变量因素。
可选地，S3中，所述建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型，之后进一步包括工艺敏感性的度量，具体为：定义工艺敏感系数，作为合金浇注温度、型壳温度及缩放因子对评价指标影响的度量。
可选地，所述工艺敏感系数，其具体定义如下：
其中，
分别为合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的目标值；ηi的正负及大小代表了对该阶段尺寸误差的作用方式，正代表增大质量损失，负代表进行误差的补偿和减小作用，其的绝对值越大，表示该工艺参数对质量损失的影响越显著。
可选地，所述平均直径，是指铸件上沿高度方外端面上随机统计的N组直径的平均值；所述圆度是指所统计的最大直径与最小半径只差的一半的平均值。
本发明的第二方面，提供一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控系统，包括：
网格划分模块，该模块对数值模拟进行网格划分，包括2D网格和3D网格划分，并检查网格质量，随后，输入材料参数与初始条件，设置合金材料类型型壳材料类型、界面换热系数以及工艺条件；
数值模拟模块，该模块在所述网格划分模块操作基础上，针对铸造产品对象，依次对设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，每组数值模拟结束后，计算铸件尺寸误差，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；所述考核数据包括合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3；
模型建立模块，该模块以所述数值模拟模块的合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3作为变量因素，铸件平均直径变化量y1，圆度y2为评价指标，建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型；
求解模块，该模块基于所述模型建立模块得到的响应面近似模型，采用NSGA-II多目标优化方法计算出较优的因素水平组合值，通过对照Pareto解，得出期望组合，从而优化出最佳的因素水平组合值，即合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的最佳组合值。
本发明的第三方面，提供一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法。
本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时用于执行所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下一种有益效果：
本发明针对传统的“经验+试错法”，进行了重大改进，提供一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，该方法实现了自动仿真计算，数据传递、近似建模型、优化计算等功能，加速了实验过程，有效节约生产成本。
本发明上述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，可以明显减小铸件变形，尤其是针对圆度、平均直径变化量目标优化，提升铸件质量，满足公差等级CT4，可用于铸造新工艺开发，可用于其他类型铸造领域，具有很强的实用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例的方法原理图；
图2为本发明一优选实施例的矫形示意图；
图中(a)为结构图，(b)为装配图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，为本发明的一优选实施例的高温合金薄壁环形机匣及浇注系统。本实施例中针对的对象：薄壁环形机匣铸件为熔模铸造的薄壁环套环结构，材料为高温合金K4169。铸件外环法兰宽15mm，高10mm，内环法兰宽和高皆为10mm，外环法兰外端直径300mm，内端直径270mm，内环法兰外端直径140mm，内端直径120mm，铸件总高120mm，铸件整体壁厚为3mm。
特征件为高度对称结构，内外环通过4个支板连接，由于内环直径较小，热节出现在支板与内环相接处，此处设置冒口对热节处进行补缩，故内环设置4个冒口，外环法兰8个冒口，放置于支板与外环法兰连接处及各连接部位之间的中点处。
本发明以下实施例中，通过编写python批命令代码，采用ISIGHT 2019软件集成平台、UG NX12.0及ProCAST 2019等软件，自动实现了三维建模——网格划分——材料属性——仿真计算——近似模型——优化等过程的数据流传输与共享，实现了集成计算数据驱动流程自动计算。具体的：
S1实验设计
针对铸造过程中工艺参数如合金浇注温度，型壳温度及缩放因子作为输入，明确输入的上下限；以平均缩松和最大缩松作为输出。以均匀拉丁超立方为采样方法，设计中心复合设计Box-behnken实验设计。如下表所示：
对数值模拟进行网格划分，包括2D网格和3D网格划分，并检查网格质量，随后，输入材料参数与初始条件，设置合金材料类型型壳材料类型、界面换热系数以及工艺条件；针对铸造产品对象，依次对S1设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，每组数值模拟结束后，提取结果并可视化后作数据存储，计算铸件尺寸误差，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；所述考核数据包括合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3。
S2近似模型
以铸造过程中关键工艺参数如合金浇注温度，型壳温度及缩放因子作为影响因素，以铸件中的平均直径变形量和最圆度为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，考察影响因素与考核指标之间的权重关系，分析工艺参数与考核目标的贡献度。
S3优化模型
通过插值法得到响应面近似模型后，采用NSGA-II多目标优化方法计算出较优的因素水平组合值，通过对照Pareto解，得出期望组合，从而优化出最佳的因素水平组合值，即合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的最佳组合值。
上述的平均直径，是指铸件上沿高度方外端面上随机统计的八组直径的平均值，而圆度是指所统计的最大直径与最小半径只差的一半的平均值。
上述的实验设计的因数主要金浇注温度x1，型壳温度x2及缩放因子x2；考核指标主要包括：铸件平均直径变化量y1，圆度y2。
上述的建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，具体过程可以为：
建立二阶响应面模型：分别将N组铸造仿真数值模拟试验中的综合质量损失作为响应值，显著影响因素作为自变量，建立综合质量损失y与显著影响因素x之间的二阶响应面模型，采用数学规划策略求解最优的参数组合值；
其模型如下：
其中，wk为各项质量损失的权重，ti1和ti2分别为各显著影响因素的上下限水平。
在上述响应面近似模型得到的基础上，作为一个优选，还可以进一步进行工艺敏感性分析，具体的：定义工艺敏感系数，作为工艺参数(合金浇注温度、型壳温度及缩放因子)对评价指标影响的度量，其具体定义如下：
其中，
分别为合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的目标值。ηi的正负及大小代表了对该阶段尺寸误差的作用方式，正代表增大质量损失，负代表进行误差的补偿和减小作用，其的绝对值越大，表示该工艺参数对质量损失的影响越显著。在本实施例中如下表所示：
响应面模型及其参数水平最优解
S4，将优化后的合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3实施新的铸件浇注工艺，按照铸造数值模拟前处理的浇注温度、型壳温度、浇注速度方案，进行铸造试验验证。
本优选实施例中，将优化后的工艺参数如合金浇注温度，型壳温度，缩放因子等代入到数值模拟软件进行验证表明：铸件质量较好，变形满足公差等级CT4。
在另一实施例中，本发明还提供一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控系统，包括：
网格划分模块，该模块对数值模拟进行网格划分，包括2D网格和3D网格划分，并检查网格质量，随后，输入材料参数与初始条件，设置合金材料类型型壳材料类型、界面换热系数以及工艺条件；
数值模拟模块，该模块在所述网格划分模块操作基础上，针对铸造产品对象，依次对设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，每组数值模拟结束后，计算铸件尺寸误差，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；所述考核数据包括合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3；
模型建立模块，该模块以所述数值模拟模块的合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3作为变量因素，铸件平均直径变化量y1，圆度y2为评价指标，建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型；
求解模块，该模块基于所述模型建立模块得到的响应面近似模型，采用NSGA-II多目标优化方法计算出较优的因素水平组合值，通过对照Pareto解，得出期望组合，从而优化出最佳的因素水平组合值，即合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的最佳组合值。
在另一实施例中，本发明还提供一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行上述任一项实施例的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法。
在另一实施例中，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行上述任一项实施例的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法。
本发明上述实施例利用针对铸造过程尺寸误差集成计算数据、实验数据与集成算法，建立圆度、平均直径变化量2个关键尺寸综合评价方法，实现铸件尺寸精确调控。完成试验设计的样本计算后，通过近似建模功能可以完成近似模型的创建，构建尺寸误差流工艺模型，分析工艺参数对尺寸误差的贡献度，利用集成计算和优化算法实现蜡模几何形状的反求和多工序关键工艺参数的获取，形成复杂铸件尺寸偏差的智能、精确调控。本发明可以明显减小铸件变形，尤其是针对圆度、平均直径的目标优化，提升铸件质量，满足公差等级CT4，可用于铸造新工艺开发，可用于其他类型铸造领域。
需要说明的是，本发明提供的所述方法中的步骤，可以利用所述系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：包括：
S1，以合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3为影响因素，设计多组铸造数值模拟BBD方案；
S2，对数值模拟进行网格划分，包括2D网格和3D网格划分，并检查网格质量，随后，输入材料参数与初始条件，设置合金材料类型型壳材料类型、界面换热系数以及工艺条件；针对铸造产品对象，依次对S1设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，每组数值模拟结束后，提取结果并可视化后作数据存储，计算铸件尺寸误差，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；所述考核数据包括合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3；
S3，以S2的前处理参数中合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3作为变量因素，铸件平均直径变化量y1，圆度y2为评价指标，建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型；
S4，基于S4得到的响应面近似模型，采用NSGA-II多目标优化方法计算出较优的因素水平组合值，通过对照Pareto解，得出期望组合，从而优化出最佳的因素水平组合值，即合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的最佳组合值。
2.根据权利要求1所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：在S4之后，还包括：
S5，将优化后的合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3实施新的铸件浇注工艺，按照铸造数值模拟前处理的浇注温度、型壳温度、浇注速度方案，进行铸造试验验证。
3.根据权利要求1所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：S3中，所述建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型，包括：
分别将N组铸造仿真数值模拟试验中的综合质量损失作为响应值，影响因素作为自变量，建立综合质量损失y与影响因素x之间的二阶响应面模型，采用数学规划策略求解最优的参数组合值。
4.根据权利要求3所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：所述二阶响应面模型，具体如下：
其中，wk为各项质量损失的权重，ti1和ti2分别为各显著影响因素的上下限水平，yk为评价指标，bk0，bki，bkii，bkij分别为响应面模型的各阶回归系数，xi为第i个变量因素，xj为第j个变量因素。
5.根据权利要求3所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：S3中，所述建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型，之后进一步包括工艺敏感性的度量，具体为：定义工艺敏感系数，作为合金浇注温度、型壳温度及缩放因子对评价指标影响的度量。
6.根据权利要求5所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：所述工艺敏感系数，其具体定义如下：
其中，
分别为合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的目标值；ηi的正负及大小代表了对该阶段尺寸误差的作用方式，正代表增大质量损失，负代表进行误差的补偿和减小作用，其的绝对值越大，表示该工艺参数对质量损失的影响越显著。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控方法，其特征在于：所述平均直径，是指铸件上沿高度方外端面上随机统计的N组直径的平均值；所述圆度是指所统计的最大直径与最小半径只差的一半的平均值。
8.一种基于集成计算与容差设计的合金铸件尺寸精确调控系统，其特征在于：应用权利要求1-7任一项方法，包括：
网格划分模块，该模块对数值模拟进行网格划分，包括2D网格和3D网格划分，并检查网格质量，随后，输入材料参数与初始条件，设置合金材料类型型壳材料类型、界面换热系数以及工艺条件；
数值模拟模块，该模块在所述网格划分模块操作基础上，针对铸造产品对象，依次对设计的每组铸造数值模拟BBD方案进行数值模拟，每组数值模拟结束后，提取结果并可视化后作数据存储，计算铸件尺寸误差，以平均直径变化量y1，圆度y2为参考指标，铸件公差等级CT4为标准记录考核数据；所述考核数据包括合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3；
模型建立模块，该模块以所述数值模拟模块的合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3作为变量因素，铸件平均直径变化量y1，圆度y2为评价指标，建立评价指标与变量因素之间的响应面近似模型；
求解模块，该模块基于所述模型建立模块得到的响应面近似模型，采用NSGA-II多目标优化方法计算出较优的因素水平组合值，通过对照Pareto解，得出期望组合，从而优化出最佳的因素水平组合值，即合金浇注温度x1，型壳温度x2和缩放因子x3的最佳组合值。
9.一种计算机，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时用于执行权利要求1-8任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时用于执行权利要求1-8任一所述的方法。
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