CN114139317A - 一种航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法 - Google Patents

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刘长利
张成成
曾飞
姚树磊
迟雨欣
刘爽
杨悦
龚从扬
王宁
丁东红
涂善东
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AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
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AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
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Abstract

本发明涉及一种航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，包括以下步骤：S1：获取航空发动机叶片水射流强化设备的基础数据、工况及工艺参数；S2：建立表面完整性有限元计算模型；S3：监测水射流强化实体设备的工况及工艺参数并检测水射流的强化效果；S4：将监测到的工况及工艺参数输入叶片表面完整性有限元计算模型中，得到强化效果；S5：修正表面完整性有限元计算模型，最终形成完整的叶片水射流强化工艺的数字孪生模型。本发明的航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法，将数字孪生技术应用到叶片水射流强化设备上，实现水射流强化过程可视化、实时监测、高效检测、有效预测。

Description

一种航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法
技术领域
本发明涉及水射流强化领域，更具体地涉及一种航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法。
背景技术
水射流强化加工是一种利用液体射流对零件表面进行冲击强化的材料表面改性技术，通过高速射流对零件表面形成冲击，使零件表面产生有益的残余应力，从而提高零件的耐疲劳性能，最终达到提高材料使用寿命的目的。但是，目前对航空发动机叶片的水射流强化技术在研究发展阶段，仍没有找到可以达到最佳强化效果的方案，并且在探索工艺阶段研究成本较高；水射流强化加工设备由增压泵、水管、机械手、喷嘴、水箱构成，对叶片的加工质量不具备监测、检测、预测等功能，并且仍缺少数据库记录相应的加工参数与对应强化后叶片的表面质量，无法根据所需目标加工质量选取相应加工参数。因此，如何建立高保真的模型反应加工实况成为目前亟待解决的问题。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生最早起源于物理产品的全生命周期管理，近年来，随着各个国家提出国家层面的制造转型战略，作为智能制造中构建信息物理系统(CPS)的最佳实现技术，数字孪生得到了学术上的广泛关注并且在工业上有了越来越多的应用。
现有技术中，数字孪生技术的研究大多针对于车间流水线的规划、机床加工进程等简单系统的优化和监控。例如，车间运行(陶飞,张萌,程江峰,戚庆林.数字孪生车间——一种未来车间运行新模式[J].计算机集成制造系统,2017,23(01):1-9.)、生产管控(张新生.基于数字孪生的车间管控系统的设计与实现[D].郑州大学,2018.)以及工艺规划等方面。目前还没有发现针对复杂机械系统的数字孪生技术的研究。而航空发动机叶片水射流强化设备属于复杂机械系统，其数字孪生系统需要实时获取强化效果，如残余应力、表面粗糙度等，现有的数字孪生建模方法无法满足建立叶片水射流强化设备数字孪生系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法，构建水射流强化设备的数字孪生模型，实现监测工艺参数、检测强化效果的功能。
为实现上述目的，本发明提供一种航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法，包括以下步骤：
S1：获取航空发动机叶片水射流强化设备的基础数据、工况及工艺参数；
S2：根据S1所获取的基础数据及工艺参数，建立表面完整性有限元计算模型；
S3：监测水射流强化实体设备的工况及工艺参数，并检测水射流的强化效果；
S4：将步骤S3监测到的工况及工艺参数输入所述表面完整性有限元计算模型中，计算得到水射流的强化效果；
S5：对步骤S3检测到的强化效果与步骤S4计算得到的强化效果进行对比，并根据对比结果修正表面完整性有限元计算模型，使所述对比结果满足预定精度要求，最终形成完整的叶片水射流强化工艺的数字孪生模型。
进一步地，所述基础数据包括航空发动机叶片模型和水射流强化设备强化方式。
进一步地，步骤S3中的工况包括机械臂喷头位置信息和水箱液位。
进一步地，所述工艺参数包括水射流喷射压力、喷射距离、移动速度和运动轨迹。
进一步地，步骤S2包括：将航空发动机叶片模型导入有限元仿真软件，并将其置于一定深度的介质水中，再根据水射流喷射距离、喷射压力、移动速度对叶片施加等效的作用力，最后输入规划好的运动轨迹，并输出强化效果。
进一步地，所述有限元仿真软件为Ansys或Abaqus。
进一步地，所述强化效果包括表面残余应力和表面粗糙度。
进一步地，计算表面完整性有限元计算模型得到的强化效果与实际监测得到的强化效果之间的误差系数，若误差系数小于5％，则认为表面完整性有限元计算模型满足精度要求，得到数字孪生模型；反之，则通过控制变量的方法找到问题参数进行修正，并重复步骤S3-S5，直至误差系数满足精度要求为止，此时修正后的表面完整性有限元计算模型为数字孪生模型。
本发明的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，将数字孪生技术应用到叶片水射流强化工艺上，实现水射流强化过程中实时监测工况以及工艺参数、高效检测叶片强化效果、改进强化工艺，从而大大提高了强化效率，提高强化质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种航空发动机叶片水射流强化设备的数字孪生建模方法，包括以下步骤：
S1：获取航空发动机叶片水射流强化设备的基础数据、工况及工艺参数；
水射流强化设备的基础数据包括航空发动机叶片模型和水射流强化设备强化方式；工况包括机械臂喷头位置信息和水箱液位；工艺参数包括水射流喷射压力、喷射距离、移动速度、运动轨迹等。
S2：根据S1所获取的基础数据及工艺参数，建立航空发动机叶片水射流强化设备的表面完整性有限元计算模型；
表面完整性有限元计算模型可以通过Ansys、Abaqus等有限元仿真软件建立；首先，将航空发动机叶片模型导入使用的有限元仿真软件，并根据水箱液位将其置于一定深度的介质水中，再根据水射流喷射距离、喷射压力、移动速度对叶片施加等效的作用力，具体地，在有限元软件中将水射流和叶片看作两个互相接触的物体，设定水射流到叶片表面的距离，以一定的冲击力和移动速度作用在叶片上；最后输入规划好的运动轨迹，将运动轨迹划分成逐个轨迹点输入有限元软件中，使其按照预期轨迹进行强化，并输出可以表征表面完整性(即强化效果)的表面残余应力、表面粗糙度等特征参数。将建立好的表面完整性有限元计算模型进行封装，留有输入工况和工艺参数的接口以及输出表面残余应力与表面粗糙度的接口。
S3：监测水射流强化实体设备的工况及工艺参数，并检测水射流的强化效果；
其中工况至少包括机械臂喷头位置信息、水箱液位等关键信息；工艺参数包括水射流喷射压力、喷射距离、移动速度、运动轨迹等，工况及工艺参数通过相应的传感器进行监测。
S4：将上一步监测到的工况及工艺参数输入S2所述的表面完整性有限元计算模型，计算出相关强化效果数据，包括残余应力、表面粗糙度；
S5：对S3与S4两个步骤得到的强化效果数据进行对比，并根据对比结果修正表面完整性有限元计算模型，使其满足预定精度要求，最终形成完整的叶片水射流强化工艺的数字孪生模型；
具体地，将表面完整性有限元计算模型得到的强化效果数据与实测强化效果数据进行对比，计算数据误差系数，若误差系数小于5％，则视为表面完整性有限元计算模型达到精度要求，可以做到与实体水射流强化工艺的映射关系，可以作为叶片水射流强化工艺的数字孪生模型；若误差系数大于5％，则通过控制变量的方法找到问题参数进行修正，并重复步骤S2-S5，直到误差系数小于5％为止，此时，修正后的表面完整性有限元计算模型即为数字孪生模型。例如，在其他参数不变的情况下，调整喷射压力，比较调整前后的强化效果，观察其是否有改进，如有改进，找出表面完整性模型输入输出与实体强化系统输入输出之间的关系，计算出加权系数，集成到建立的表面完整性有限元计算模型中；如无改进，则按顺序调整另外的几个工艺参数；如仍无改进，则考虑是否忽略了重要的工艺参数。
达到映射关系的数字孪生模型可以应用到实体强化设备的加工前的强化效果预测以及加工过程中的实时监控与强化效果反馈，有效的提高了加工效率，避免了人力物力时间上的大量浪费。
本发明的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，将数字孪生技术应用到叶片水射流强化工艺上，实现水射流强化过程中实时监测工况以及工艺参数、高效检测叶片强化效果、改进强化工艺，从而大大提高了强化效率，提高强化质量。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取航空发动机叶片水射流强化设备的基础数据、工况及工艺参数；
S2：根据S1所获取的基础数据及工艺参数，建立表面完整性有限元计算模型；
S3：监测水射流强化实体设备的工况及工艺参数，并检测水射流的强化效果；
S4：将步骤S3监测到的工况及工艺参数输入所述表面完整性有限元计算模型中，计算得到水射流的强化效果；
S5：对步骤S3检测到的强化效果与步骤S4计算得到的强化效果进行对比，并根据对比结果修正表面完整性有限元计算模型，使所述对比结果满足预定精度要求，最终形成完整的叶片水射流强化工艺的数字孪生模型。
2.根据权利要求1所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，所述基础数据包括航空发动机叶片模型和水射流强化设备强化方式。
3.根据权利要求2所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，步骤S3中的工况包括机械臂喷头位置信息和水箱液位。
4.根据权利要求3所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，所述工艺参数包括水射流喷射压力、喷射距离、移动速度和运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，步骤S2包括：将航空发动机叶片模型导入有限元仿真软件，并将其置于一定深度的介质水中，再根据水射流喷射距离、喷射压力、移动速度对叶片施加等效的作用力，最后输入规划好的运动轨迹，并输出强化效果。
6.根据权利要求5所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，所述有限元仿真软件为Ansys或Abaqus。
7.根据权利要求1所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，所述强化效果包括表面残余应力和表面粗糙度。
8.根据权利要求1所述的航空发动机叶片水射流强化工艺的数字孪生建模方法，其特征在于，计算表面完整性有限元计算模型得到的强化效果与实际监测得到的强化效果之间的误差系数，若误差系数小于5％，则认为表面完整性有限元计算模型满足精度要求，得到数字孪生模型；反之，则通过控制变量的方法找到问题参数进行修正，并重复步骤S3-S5，直至误差系数满足精度要求为止，此时修正后的表面完整性有限元计算模型为数字孪生模型。
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