三维复杂曲面电解加工极间流场特性及数值模拟研究

发布时间：2017-10-27 05:16

  本文关键词：三维复杂曲面电解加工极间流场特性及数值模拟研究

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【摘要】：随着现代制造业的发展,复杂结构、特殊材料的零件不断涌现,电解加工已成为难切削导体材料、复杂型面零件的主要加工方法之一。电解加工无明显的工具损耗、加工效率和表面质量相对较高。由于目前复杂曲面类零件电解加工的成形规律还没有被完全掌握,电解加工精度的提高仍受到一定的限制。在电解加工中,极间间隙的流场分布情况是影响电解加工精度与质量的重要因素之一。电场与流场相互影响,同时又伴随着电化学变化。极间间隙是一个复杂的耦合场,研究复杂曲面电解加工的极间流场特性及分布规律,有助于完善电解加工成形规律理论,提高电解加工的加工精度和表面质量。本文以某压气机叶片叶身曲面和缘板整体成形为研究对象,建立了具有大曲率变化的“L”型复杂曲面的间隙模型,采用分块、分层的分析思想,将整体流场模型划分成M块、N层,对“L”型流场的特性和分布规律进行研究。在每个分析单元内,根据流体力学理论建立了描述电解液流速、压力、温度等参数变化的动力学方程组;根据电化学理论,将影响流场特性的主要参数代入电导率计算模型中解析。将单元分析结果组合,利用MATLAB绘制出“L”型流场的电导率分布图。在复杂结构极间间隙中,电导率值随空间位置的不同而变化,这在一定程度上更加符合实际的分布情况。借助流体分析软件Fluent对“L”型间隙中电解液的流速、压力等分布情况进行模拟,仿真结果发现流场参数在曲率突变的区域较其它区域发生了明显的变化。本文根据流体力学动量定理,从“挤压”和“碰撞”的角度对流场大拐角处速度和压力变化的机理进行了探索性分析。为了降低流场出现“死水区”的可能性,本文在传统流场结构的基础上,提出直线过渡型流场和圆弧过渡型流场模型。对比各种形式下速度、压力的分布,并对流场结构进行优化设计。提出采用“分流通道”的方式,避免复杂流场中出现“负压区”。最后,利用Workbench的优化分析功能建立电解液入口速度、入口压力、背压与平均速度、平均压力、最小压力之间的映射关系,并绘制相应的敏感度关系曲线。以电解液的平均速度、最小压力为目标参数,使用响应面设计的方法获得最佳流场输入参数值。本文进行的三维复杂曲面电解加工极间流场特性与数值模拟研究,是对复杂曲面类零件电解加工流场特性与分布特征所进行的探索性研究,为进一步完善电解加工成形规律理论奠定了一定的基础。
【关键词】：电解加工 复杂曲面 流场特性 电导率 数值模拟
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG662
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符号说明10-11
• 1 绪论11-24
• 1.1 电解加工简介11-12
• 1.2 电解加工的特点12-13
• 1.2.1 电解加工的优越性12-13
• 1.2.2 电解加工的局限性13
• 1.3 电解加工技术的研究现状和发展方向13-19
• 1.3.1 电解加工的研究现状13-15
• 1.3.1.1 叶片型面的电解加工13-14
• 1.3.1.2 整体叶盘的电解加工14-15
• 1.3.1.3 孔的电解加工15
• 1.3.1.4 其它方面的研究15
• 1.3.2 电解加工的发展方向15-19
• 1.3.2.1 微细电解加工16-18
• 1.3.2.2 数控电解加工18-19
• 1.3.2.3 电解复合加工19
• 1.4 电解加工流场特性的相关研究19-21
• 1.5 课题研究的目的及意义21-22
• 1.6 论文的主要研究内容及创新点22-24
• 1.6.1 研究的主要内容22-23
• 1.6.2 论文的主要创新点23-24
• 2 复杂曲面电解加工流场的建模与特性分析24-56
• 2.1 电解加工的基础理论24-30
• 2.1.1 电解加工工艺设备的组成24-25
• 2.1.2 电解加工流程25-26
• 2.1.3 加工间隙26-27
• 2.1.4 电解液27-30
• 2.2 建立流场参数分布的理论模型30-34
• 2.2.1 流场分析的理论基础30
• 2.2.2 流场分析的物理模型30-34
• 2.3 流场物理模型34-37
• 2.3.1 流场三维参数建模34-35
• 2.3.2 流场模型单元化35-37
• 2.4 流场模型分块、分层系统的二次开发37-42
• 2.4.1 UG开发环境简介38-39
• 2.4.2 分块、分层系统简介39-40
• 2.4.3 开发环境变量设置40
• 2.4.4 菜单及菜单程序40-41
• 2.4.5 UG建模环境下的表达式设置41-42
• 2.5 流场物理模型的解析42-47
• 2.5.1 缘板处流场的参数矩阵方程43-45
• 2.5.2 叶身处流场的参数矩阵方程45-47
• 2.6 大拐角对流场电导率的影响47-54
• 2.6.1 第1层电导率曲面图及各条流程线电导率曲线图47-50
• 2.6.2 第3层、第5层电导率曲面图50-52
• 2.6.3 各层电导率对比图52-54
• 2.7 电导率 к 的实验验证54-55
• 2.8 本章小结55-56
• 3 三维复杂曲面流场的数值模拟56-74
• 3.1 流场参数初始值确定56-59
• 3.1.1 电解液流动方式的选择56-57
• 3.1.2 电解液的入口流速57-58
• 3.1.3 电解液的入口压力58-59
• 3.2 流场模型的数值模拟59-72
• 3.2.1 网格划分59-60
• 3.2.2 网格的质量分析60-61
• 3.2.3 流场分析设置61-62
• 3.2.4 整体流场仿真云图62-63
• 3.2.5 流场某纵截面仿真结果63-67
• 3.2.6 大拐角处速度和压力变化的原因67-72
• 3.3 本章小结72-74
• 4 复杂流场的结构优化74-84
• 4.1 传统流场的模型分析74-75
• 4.2 流场结构的改进思路75
• 4.3 不同结构流场特性的对比75-81
• 4.3.1 传统型流场75-76
• 4.3.2 直线过渡型流场76-77
• 4.3.3 圆弧过渡型流场77-78
• 4.3.4 三种形式流场的流场参数对比78-81
• 4.4 改进后的流场结构分析81-83
• 4.5 本章小结83-84
• 5 复杂流场内电解液参数的数值优化84-94
• 5.1 电解液参数设定84-86
• 5.1.1 定义输入参数、输出参数84-85
• 5.1.2 输入参数和输出参数关系及优化方式选择85-86
• 5.2 Design of Experiment设计的计算结果86-88
• 5.3 Response Surface设计的计算结果88-91
• 5.4 响应曲面优化91-93
• 5.5 本章小结93-94
• 总结与展望94-96
• 工作总结94-95
• 工作展望95-96
• 参考文献96-101
• 致谢101-102
• 攻读硕士学位期间发表的论文102-103

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