基于焊接过程分析的叶片自动焊接修复轨迹规划

发布时间：2017-04-04 23:03

  本文关键词：基于焊接过程分析的叶片自动焊接修复轨迹规划，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：叶片是航空发动机最为核心的零件,被誉为“心脏中的心脏”。叶片通常工作在高温高压的恶劣环境下,使用一段时间之后,可能会出现不同程度的缺陷和损伤,如裂纹、磨损、腐蚀和蠕变缩孔等。在发动机维修手册中,推荐对有修复价值的叶片利用高能束焊接对其进行堆焊修复,但对焊接修复后叶片的强度、尺寸精度、抗疲劳等性能要求十分苛刻。因此,需要可靠的自动焊接装备用于叶片的维修。由于叶片复杂的曲面形状,需要自动焊接装备能够直接对叶片的参数化曲线曲面进行插补。目前,叶片的参数化曲线曲面表示常用非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,简称NURBS)进行表示。NURBS具有设计灵活、算法稳定等优点,在众多参数曲线中脱颖而出,它使得有关曲线曲面的设计、分析与计算达到了很高的水平,大大加速了其在机械加工领域的应用。NURBS这一先进技术已成为研究的热点与难点。论文提出的利用叶片的焊接过程分析对焊接速度进行优化的方法,可以获得较好的焊接速度,减小焊接残余应力和焊接变形,同时作为焊接路径规划的一个依据。提出的结合弓高误差和泰勒公式的NURBS曲线插补技术,可以直接表达复杂的叶片焊接路径曲线,并对路径进行自动插补,提高叶片焊接的精度,也可以提高CNC系统的轨迹表达能力和插补能力。主要工作:对叶片进行三维建模和相关处理,之后对处理的叶片模型进行焊接过程仿真,分析温度场和应力场的结果,结合叶片材料的Goodman曲线,优化焊接参数,获得最优的焊接速度;通过NURBS曲线数学模型,并根据实验数据和优化的焊接速度,建立复杂的叶片焊接路径曲线;利用焊接速度和泰勒展开法对曲线参数进行密化,得到参数增量,通过参数增量逐步实现对焊接路径的曲线插补过程,最终获得路径曲线上每个点与参数或时间的一一对应关系,完成轨迹规划。通过Simufact-welding对叶片进行三维焊接仿真模拟,最后利用Matlab模拟曲线插补过程,分析插补精度和参数增量的关系,对比泰勒展开法和利用弓高误差修正的泰勒展开法的实验结果,验证利用弓高误差修正的泰勒展开法具有较高的轨迹特征,并最终获得轨迹规划曲线。
【关键词】：堆焊 轨迹规划 NURBS 速度优化 航空发动机叶片
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V263;TG409
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 课题来源、研究背景及意义9-11
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究背景及意义9-11
• 1.2 航空发动机叶片的特性11-12
• 1.3 叶片焊接修复现状12-15
• 1.4 轨迹规划技术研究现状15-19
• 1.5 论文的主要研究内容19-21
• 第二章 NURBS曲线数学模型21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 NURBS曲线原理21-26
• 2.2.1 NURBS曲线数学定义21-24
• 2.2.2 NURBS曲线求值24-25
• 2.2.3 NURBS曲线求导25-26
• 2.3 NURBS曲线节点矢量26-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第三章 基于焊接过程分析的速度优化29-49
• 3.1 引言29
• 3.2 焊接过程有限元分析理论29-30
• 3.3 焊接温度场理论基础30-33
• 3.3.1 焊接温度场热源模型分析30-31
• 3.3.2 焊接温度场基本方程31-33
• 3.4 应力场理论基础33-34
• 3.5 焊接残余应力和焊接变形的产生及其危害34-36
• 3.6 叶片的焊接过程分析及焊接参数优化36-47
• 3.6.1 叶片的焊接过程分析36-39
• 3.6.2 焊接过程分析结果39-43
• 3.6.3 焊接过程分析结果处理43-44
• 3.6.4 基于焊接结果分析的参数优化44-47
• 3.7 本章小结47-49
• 第四章 基于NURBS的叶片焊接路径规划49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 反求NURBS曲线方程49-54
• 4.2.1 反求节点矢量49
• 4.2.2 反求基函数49-51
• 4.2.3 反求控制顶点51-53
• 4.2.4 曲线拟合及误差分析53-54
• 4.3 焊接路径的NURBS曲线表示54-58
• 4.3.1 计算焊接路径曲线54-57
• 4.3.2 计算焊接路径曲线的NURBS方程57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 基于目标速度约束的叶片焊接轨迹规划59-73
• 5.1 引言59
• 5.2 NURBS实时插补算法59-61
• 5.3 焊接路径的曲线插补及误差计算61-65
• 5.3.1 焊接路径的曲线插补61-62
• 5.3.2 焊接路径的误差计算62-65
• 5.4 基于误差的速度自适应算法65-66
• 5.5 基于目标速度约束的轨迹规划66-71
• 5.6 本章小结71-73
• 第六章 总结与展望73-75
• 6.1 总结73
• 6.2 展望73-75
• 参考文献75-81
• 附录A81-85
• 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果85-87
• 致谢87

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