空心涡轮叶片复杂陶芯弯扭变形分析方法比较.pdf

Blade Manufacturing Technology叶片制造技术
空心涡轮叶片复杂陶芯弯扭变形
分析方法比较
张现东 ,卜 昆 ,刘连喜 ,窦杨柳
1. 西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,西安 710072;
2. 北京星航机电装备有限公司,北京 100074
摘要 陶芯作为熔模铸造空心涡轮叶片的内腔转接件,其弯扭变形程度直接关系到空心涡轮叶片的壁厚尺寸精度。
为了研究陶芯制造过程中出现的弯曲和扭曲变形,首先,借鉴叶片给出了陶芯弯曲变形和扭曲变形的定义,并根据陶
芯结构特点研究了陶芯弯扭变形的计算方法,包括基于轮廓线的弯扭变形计算方法:主动轮廓模型法和样条拟合轮
廓线法,与基于数据点的弯扭变形计算方法:凸包算法、二维配准算法和距离权值算法。然后,分别通过仿真与实测
数据比较了 5种算法,结果表明:样条拟合轮廓线法具有更高的稳定性和精度。
关键词:陶芯;弯扭变形;主动轮廓模型;样条拟合;凸包算法;二维配准;距离权值
的空心涡轮叶片精密铸造合格率不 压气机做了大量理论研究; Houbolt
到 40 , 差距很大。统计结果表明: 等 将转子叶片的弯扭变形分为翼
在涡轮叶片无余量熔模精密铸造工 面向弯曲、 翼弦向弯曲和扭曲变形;
艺过程中, 同批次不合格空心叶片铸 Mohaghegh 等 通过定义叶片积叠
件中由于壁厚尺寸漂移引起的形状 轴, 给出了基于积叠轴的叶片弯曲变
超差占 50 左右 , 是造成我国空心 形的定义; Omer 研究了叶片轮廓
涡轮叶片合格率偏低的主要原因之 度误差、 弯曲度误差和扭曲度误差
。涡轮叶片的壁厚是由外型与内 定义及测量方法;陈福兴等 研究
腔共同保证的, 内腔是精铸过程中由 了基于三坐标测量数据的叶片弯扭
陶芯作为转接件形成的, 因此陶芯的 变形误差计算方法;王红霞 研究
弯扭变形直接关系到空心涡轮叶片 了基于位移场的叶片弯扭变形分析;
的壁厚分布情况。精确计算陶芯的 彭志光 研究了基于凸包算法的叶
弯扭变形, 对于指导陶芯在蜡模型腔 片弯扭变形计算方法。上述所有方
张现东
中的定位、 控制蜡型壁厚、 提高空心 法都是针对叶片类零件提出的, 并
西北工业大学航空宇航制造工
涡轮叶片成形精度都有重要的作用。 不适用于结构更加复杂的陶芯。陶
程专业博士研究生,主要研究方向为
叶片类截面形状的弯扭变形 芯的制备及成形工艺在各国是保密
CADCAM、精密测量、熔模精密铸造模
般认为是相对于理论截面的刚体位 的, 对陶芯成形精度的研究更是很少
具设计与优化。
移, 可以分解为相对于理论截面的 见报道, 陶芯弯扭变形的研究仅有
空心涡轮叶片成形精度低, 直
平移与扭转。目前, 国内外对叶片 黄胜利 、 DOU 等 提出的基于主
是困扰我国航空制造业的难题。与
弯扭分析有大量的研究, 王仲奇等 动轮廓模型的陶芯弯扭变形计算方
国外高达 80 的合格率相比, 国内
研究了弯扭叶片对降低能量损失的 法, 该方法通过 Snake 模型逼近陶芯
基金项目: 国家自然科学基金 51371152 。 作用, 并对弯扭叶片级和级组用于 外轮廓来获得陶芯截面外轮廓线, 但
2016 年第 21 期航空制造技术
论坛
Blade Manufacturing Technology叶片制造技术
Snake 模型在陶芯纵向肋间易收敛 tension i?1 i
弯扭变形的计算方法
成直线, 导致提取的轮廓线光顺度不
好, 从而影响弯扭变形的计算精度。 空心涡轮叶片陶芯包含众多细 l l
本文根据弯曲变形和扭曲变形的定 小结构:数个纵向肋槽, 数十个横向  
义, 研究和比较了几种弯扭变形算 肋槽, 近百个扰流柱孔、 排气边、 定位
空心涡轮叶片复杂陶芯弯扭变形
法, 并通过几组截面轮廓线计算分析 窗等, 截面轮廓复杂, 增加了弯扭变
了陶芯的弯曲变形和扭曲变形。 形的计算难度。本文根据陶芯的结
其中, θ 是 l 与 l 的夹角, 其中 p
构特点, 将陶芯弯扭变形的计算方法
是初始轮廓上的第 i 点,m 是点云数
弯曲变形和扭转变形的定义 分析方法比较
分为两类:基于轮廓线的算法和基
据中的第 j 点, N 、 N 分别代表初始
二维平面内的弯曲变形和扭转 于数据点的算法。基于轮廓线的算
轮廓点个数和点云数据点个数, pm
变形分别表示为测量截面相对于理 法是通过构造实测点云截面轮廓线,
代表点 p 到 m 的距离。
张现东 ,卜 昆 ,刘连喜 ,窦杨柳
论截面的平移位移和扭转角位移。 并与 CAD 截面轮廓线对比, 根据弯
3以涡轮叶片截面线在初始
1. 西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,西安 710072;
如图 1 所示, 实线表示理论 CAD 截 扭变形定义计算弯扭变形, 主要有基
轮廓点处内法矢方向作为该轮廓点
2. 北京星航机电装备有限公司,北京 100074
面轮廓线, 虚线表示测量截面线。图 于主动轮廓模型的算法和基于样条
的运动方向。
1a中点 M 为测量截面的形心, 拟合的算法等。基于数据点的算法
c 4如果所有轮廓点的弯曲能
摘要 陶芯作为熔模铸造空心涡轮叶片的内腔转接件,其弯扭变形程度直接关系到空心涡轮叶片的壁厚尺寸精度。
直接通过实测点云与 CAD 截面轮廓
点 D 为 CAD 截面的形心,DM 即 都小于给定阈值, 即 maxE iε,
为了研究陶芯制造过程中出现的弯曲和扭曲变形,首先,借鉴叶片给出了陶芯弯曲变形和扭曲变形的定义, dist并根据陶
线计算弯扭变形, 主要有凸包算法、
T 则输出 Snake ;否则, 增加初始轮廓
为截面弯曲变形矢量, 用 来表示。
芯结构特点研究了陶芯弯扭变形的计算方法 c ,包括基于轮廓线的弯扭变形计算方法:主动轮廓模型法和样条拟合轮
二维配准算法、 距离权值法等。
T 点数, 重复步骤 1 4 , 直至收敛。
可以分解为沿 X 轴向的位移 T 和
廓线法 c ,与基于数据点的弯扭变形计算方法 x :凸包算法、二维配准算法和距离权值算法。然后,分别通过仿真与实测
1 基于轮廓线的算法
T 1.2 样条拟合轮廓线
沿 Y 轴向的位移 。图 1b中,
数据比较了 5种算法, y 结果表明:样条拟合轮廓线法具有更高的稳定性和精度。
1.1 主动轮廓模型提取轮廓线
样条拟合陶芯轮廓线包含 4 步:
点 A 和点 B 分别为 CAD 截面的后
关键词:陶芯;弯扭变形;主动轮廓模型;样条拟合;凸包算法;二维配准;距离权值
主动轮廓模型也称为 Snake 模
截面数据的获取;截面轮廓数据的
DOI: 缘点和测量截面后缘点 10.16080j.issn1671-833x.2016.21.063 中弧线延长
型 , 是由 Kass 等 在 1987 年提出的 ,
提取; 型面轮廓线拟合; 后缘拟合。
线与后缘轮廓线的交点 , 直线 M B
广泛应用于数字图像分析和计算机
1 截面数据提取:通过 ATOS
与 D A 的夹角 θ 表示测量截面相对
的空心涡轮叶片精密铸造合格率不 视觉领域。点云数据中的 Snake 可 压气机做了大量理论研究; Houbol