压气机树脂叶片注塑工艺参数及模腔优化技术

发布时间：2020-08-25 09:42

【摘要】：航空发动机压气机低速模拟试验平台是有效获取压气机内部流场,提高压气机设计水平和效率的重要途径。试验平台的低转速条件,对叶片强度要求较低,可采用注塑成型工艺制备的树脂基复合材料叶片代替昂贵的金属机加叶片进行试验,大大节约试验成本。受叶片材料成型特性、注塑工艺以及模具型腔等多因素影响,树脂试验叶片出模后不可避免产生变形,影响叶片气动性能的验证。因此,深入开展叶片注塑成型关键技术研究,对于提高叶片的尺寸精度,保障低速模拟试验平台准确验证压气机的设计方案,具有重要的理论意义和工程应用价值。在对同批次叶片尺寸特点及尺寸超差原因分析的基础上,本文提出从注塑工艺参数及模具型腔两方面展开研究,解决叶片尺寸波动较大、合格率低的问题。首先,对叶片注塑工艺参数进行稳健优化,以提高叶片尺寸稳定性;其次,对叶片注塑模具型腔进行反变形设计,以减小叶片尺寸偏差,即对模腔优化设计过程的关键技术:面向模型重构的叶片型面测量规划方法、面向平均尺寸偏差估计的叶片抽样检测方法、模腔截面线优化设计方法,进行分析和研究。在上述理论研究的基础上,开发出试验叶片注塑模具型腔优化设计原型系统,可有效缩短压气机试验叶片模具的定型周期、提高试验叶片尺寸精度。本文主要研究内容如下:(1)叶片注塑工艺参数稳健优化方法:首先,基于CAE分析及注塑实验,比较相同工艺条件下,叶片注塑仿真变形和实际变形的差异,建立了可用于叶片变形趋势预测的注塑仿真模型;其次,基于叶片注塑仿真实验,建立了叶片变形量与注塑工艺参数之间的代理模型,结合最优化理论及蒙特卡罗模拟技术,对叶片注塑工艺参数进行了稳健优化设计;最后,对稳健优化工艺参数进行了实验验证。(2)面向模型重构的叶片三坐标测量规划方法:首先,基于叶片CAD模型几何特征,以叶片中弧面表征叶型曲面沿积叠轴方向的曲率变化趋势,选取等参数曲线的最小公共型值点集,基于型值点集在积叠轴方向的坐标规划叶片测量截面;然后,采用三次B样条曲线逼近测量截面的叶型,以构造B样条曲线所需的最小型值点集作为截面叶型测量采样点。与现有的测量方法相比,在建模精度相当的前提下,本文方法可显著降低叶片测量采样点数量。(3)面向平均尺寸偏差估计的叶片抽样检测方法:同批次叶片存在尺寸波动,应基于叶片平均尺寸偏差计算模腔补偿量。提出一种面向平均尺寸偏差估计的叶片抽样检测方法。首先,以叶身型值点集的位移量衡量叶片型面尺寸偏差;其次,基于数理统计理论,建立叶片平均尺寸偏差的枢轴量,进而推导出叶片平均尺寸偏差的置信区间;最后,通过不断增加检测样本,提高叶片平均尺寸偏差置信区间的估计精度,进一步提出一种面向叶片平均尺寸偏差估计的序贯抽样检测方法,并以树脂试验叶片为例对该抽样方法进行了验证。(4)叶片注塑模具型腔反变形优化设计方法:首先,研究了一种叶片多样本检测数据融合处理方法,基于融合点坐标及设计叶型信息构造三次B样条曲线,并将其作为零件叶型;其次,将零件叶型和对应设计叶型进行配准,以完成配准运算的旋转角度和平移量作为叶型扭转变形量和弯曲变形量,以测量点与其在设计叶型上对应点的位移作为叶型轮廓度误差;最后,基于叶型变形量及反变形原理对模具型腔截面线进行补偿,并基于补偿的模腔截面线建立优化的模具型腔。实验结果表明,优化后的型腔可显著提高叶片尺寸精度。(5)压气机树脂试验叶片注塑模具型腔优化设计原型系统开发:基于UG/Open API及VC二次开发平台,开发了试验叶片注塑模具型腔优化设计原型系统,以某型压气机转子试验叶片为例,对本文模具型腔优化设计方法进行了验证。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V263
【图文】：

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第一章绪论第一章绪论及意义是衡量一个国家科技、工业、经济和国防发展水平大推重比、超高速、高空以及超远航程的需求，发机的研制必须依托先进的测试方法，进行大量的试。在成熟核心机的基础上进行系列化发展是一个可险技术途径，被航空强国广泛采用[3]。据统计，发都与核心机密切相关[4]。作为核心机的三大部件之重比、耗油率等性能起关键作用，同时也对发动机因此，无论是国外还是国内，压气机的研制一直是一[6][7]。

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图 1-2 GE 公司 LSRC 试验台图 1-3 压气机低速模拟技术流程图压气机低速模拟技术具有以下 5 个优点[14]。（1）测量精度高。压气机低速试验台内部空间相对较大，能更好的安装各类测量仪器，布置更多的测量点，以便相似测量压气机内部气流情况。（2）机械应力低。压气机低速模拟实验可大大降低叶片的转速。例如，GE90（E3）高压压气机叶尖线速度超过 450m/s[6]，而 GE 公司设计的 LSRC 叶尖最大线速度仅为96m/s[15]。试验台的低转速条件意味着更低的应力，对试验台的硬件要求相对较低。同时，在低应力下试验台的运行时间更长，材料疲劳损伤可能性降低，可安全的操作压气机的旋转失速。（3）成本较低。低速试验台硬件制造及测试两方面具有极大的成本优势；低转速下，GE 公司采用树脂基复合材料试验叶片代替金属叶片进行试验[14][16]，其成本可降低大约 80%。图 1-4（a）展示了 GE 公司研制的某型树脂试验叶片，图 1-4（b）展示了GE 公司研制的 LSRC 某级静子树脂试验叶片/环[12]。

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