多能场作用下复杂零件的服役变形机理与几何补偿

Advanced equipment is an important symbol of a country's comprehensive competitive strength, gas turbine is its quintessence . Gas turbine blade is the key functional part, and typical complex part as well. China has not yet master the core technology, lacks self-design capability, and is under the control of others in long term. This becomes a bottleneck, restricting the development of China's advanced equipment..This project is represented by gas turbine blade, aims at high performance, and centers on complex parts deformation. By using a combination of fluid mechanics, heat transfer, the structure and intensity mechanics,etc., mathematical models of complex parts deformation in multi-energy field will be created and collaborative simulation will be carried out to explore the coupling effect of the complex parts serving in the multi-energy fields and reveal deformation mechanism of complex part.According to design surface of the complex parts under the best service condition,3D deformation domain will be constructed, and reconstruction method of manufacturing surface based on the geometric compensation is presented. Experimental platform will be built for simulation experiments of effect caused by multi- energy field, so theories and methods can be verified by experiments. The theoretical foundation will be established for realizing the digital design-manufacturing integration of complex parts working in the multiple energy field.

以燃气轮机为典型的高端装备，是衡量一个国家综合竞争实力的重要标志。叶片是燃气轮机的关键功能零件，是典型的复杂零件，我国尚未掌握核心技术，缺乏自主设计能力，长期受制于人，成为制约我国高端装备发展的瓶颈。. 本项目以燃气轮机叶片为代表，以高性能服役为目的，以复杂零件服役变形为核心，综合采用流体力学、传热学、结构和强度力学等多学科理论，建立多能场作用下的复杂零件服役变形数学模型，并进行协同仿真，探寻复杂零件服役过程中多能场耦合作用，揭示复杂零件的服役变形机理；根据复杂零件最佳服役状态下的设计曲面，构造三维变形域，提出基于几何补偿的加工曲面重构方法；组建模拟实验平台，进行多能场作用的模拟实验，对理论研究成果和方法进行实验验证，为实现多能场作用下复杂零件数字化设计-加工一体化奠定理论基础。

高端装备是构建基本国力和国际竞争力的象征，多能场复杂耦合直接作用在燃气轮机这类高端装备的关键功能零件涡轮叶片上，是影响装备服役性能的关键因素之一。本项目主要研究内容为结合大型燃气轮机等大型高端装备的设计和制造技术，以燃气轮机关键功能零件叶片为典型代表，分析服役过程中多能场复杂耦合作用，建立数学模型，并进行协同仿真，揭示复杂零件的服役变形机理；根据复杂零件最佳服役状态下的设计曲面，研究其几何补偿，提出基于几何补偿的加工曲面重构方法，为实现多能场作用下复杂零件数字化设计-加工一体化奠定理论基础。.本项目取得以下重要成果：.1）建立了叶片及其冷却通道三维流场数值分析模型、叶片三维温度场数值分析模型以及叶片流体-热-结构耦合变形分析模型，将转子转速、流场分析的压力和温度场作为叶片服役的工况参数，进行了流-热-离心力耦合仿真。仿真结果表明，说明热变形在叶片的径向变形中起主导作用。.2）提出了基于灰色关联度的多能场变形分析方法。通过基于灰色关联度的多能场变形分析，影响叶片多能场变形的主要因素为温度和压力。因此在进行叶片尺寸设计时，必须考虑热变形。.3）复杂零件在服役变形下的设计曲面补偿.综合应用Matlab、ANSYS对叶片这类复杂曲面在多能场下作用下的变形进行协同仿真，得到设计曲线在型值点处的变形大小和方向，揭示了复杂零件的服役变形机理，实现了实现对叶片服役变形的曲面补偿和重构。.4）分析了复杂曲面工件产生加工误差的主要因素，结合叶片加工的典型零件，建立了三维铣削力模型，揭示了切削力与装夹方法对复杂曲面加工产生变形的影响机理，为复杂曲面铣削加工变形分析及加工补偿奠定了理论基础。.5）针对复杂零件补偿截面直接生成加工曲面出现的曲面不光顺、截面出现多余拐点、曲面曲率变化不均匀等问题，应用小波变换把补偿后曲线曲面进行光顺处理，实验证明，该方法方法具有较好的补偿效果，具有重要的应用价值。