基于位移场的精铸涡轮叶片误差分析系统研究
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摘要
本文针对航空发动机关键零件涡轮叶片成型精度的控制问题做了研究。本文综合运用了数值模拟和叶片实测等手段对涡轮叶片进行了误差分析，得出了一致的结果，为叶片精铸模具的优化设计提供了参考依据。
本文的主要研究内容包括：
精铸涡轮叶片的三坐标测量技术研究。主要包括测量规划，测量后数据测头半径补偿，重新得到测量数据，重构造型。
基于“双阶段策略”的配准技术，即粗略配准和精细配准。与使用单—ICP法的配准策略相比，该策略可以使配准过程获得更高的精度和效率。
精铸涡轮叶片进行了凝固过程数值模拟。通过设置适当的工艺参数和边界条件，使用ProCAST对叶片进行模拟，并对ProCAST模拟过程进行了分析。
虚拟修模技术。在数值模拟的基础上，通过抽取有用的节点信息，并对其进行排序与匹配，再运用反变形法使其反向叠加后生成新网格，从而对模具型腔进行修模。
通过将数值模拟结果与精铸涡轮叶片的实际结果相比较，得出一致的变形规律，说明数值模拟技术已经可以为精铸涡轮叶片的设计制造提供指导意见。
设计实现能处理测量数据和模拟网格数据的误差分析原型系统，可以大大提高处理数据的效率和准确性。
The turbine blade is one of the key components in aeroengine. The research on this paper is to deal with the problem of the precision control of the turbine blade. The paper combines the CMM data and the simulation data to analysis the error of the blade. After this, we can get the displacement field of the turbine blade.
The main contents are described as follows:
The blade is measured by the CMM, and the method of compensation for the CMM data is developed.
The method of the model registration based on double moment is developed. Compared to the single method, it has higher precision.
Grid information of finite element is resolved. First, the array and matching of grids are figured out. The disorders grids are changed into order ones. Secondly, methods are brought forward to resolve the problem of a large number of grids after the characteristic of net file is analyzed.
Compare the results of the simulation and the CMM measure, we can get the same Deformation.
The system of the error analysis is developed.
本文的主要研究内容包括：
精铸涡轮叶片的三坐标测量技术研究。主要包括测量规划，测量后数据测头半径补偿，重新得到测量数据，重构造型。
基于“双阶段策略”的配准技术，即粗略配准和精细配准。与使用单—ICP法的配准策略相比，该策略可以使配准过程获得更高的精度和效率。
精铸涡轮叶片进行了凝固过程数值模拟。通过设置适当的工艺参数和边界条件，使用ProCAST对叶片进行模拟，并对ProCAST模拟过程进行了分析。
虚拟修模技术。在数值模拟的基础上，通过抽取有用的节点信息，并对其进行排序与匹配，再运用反变形法使其反向叠加后生成新网格，从而对模具型腔进行修模。
通过将数值模拟结果与精铸涡轮叶片的实际结果相比较，得出一致的变形规律，说明数值模拟技术已经可以为精铸涡轮叶片的设计制造提供指导意见。
设计实现能处理测量数据和模拟网格数据的误差分析原型系统，可以大大提高处理数据的效率和准确性。
The turbine blade is one of the key components in aeroengine. The research on this paper is to deal with the problem of the precision control of the turbine blade. The paper combines the CMM data and the simulation data to analysis the error of the blade. After this, we can get the displacement field of the turbine blade.
The main contents are described as follows:
The blade is measured by the CMM, and the method of compensation for the CMM data is developed.
The method of the model registration based on double moment is developed. Compared to the single method, it has higher precision.
Grid information of finite element is resolved. First, the array and matching of grids are figured out. The disorders grids are changed into order ones. Secondly, methods are brought forward to resolve the problem of a large number of grids after the characteristic of net file is analyzed.
Compare the results of the simulation and the CMM measure, we can get the same Deformation.
The system of the error analysis is developed.
引文
[1] 郭文有等，航空制造工程手册，北京：航空工业出版社，1998年1月第1版
[2] 林国荣，铸件形成过程计算技术数值模拟的发展及应用，现代铸铁，2001，(2)：8-13
[3] 罗兰，童本行，黄天佑．基于UG的三维铸造工艺工装CAD系统，铸造技术2001(2)：8-9
[4] Goldstein R J, Eckert ERG, Ibele W E, etc. Heat transfer-a review of 2001 literature. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2003, (46): 1887-1992
[5] Li D Z, Campbell J, Li Y Y. Filling system for investment cast Ni-base turbine blades. Journal of Materials Processing Technology. 2004, (148): 310-316
[6] 宋贤发，利用铸造CAE技术优化铸造工艺，现代铸铁，2002，(1)：42-43
[7] Ching-Chih Tai The optimization accuracy control of a die-casting product part Materials Processing Technology 103(2000) 173-188
[8] Du-Soon Choi, Yong-Taek Im Prediction of shrinkage and warpage in consideration of residual stress in integrated simulation of injection molding Composite Structures 47,1999, 67
[9] Lim E M, Menq C H, Yen D W. Integrated planning for precision machining of complex surfaces-Ⅲ. Compensation of dimensional errors. Int.J Mach Tools Maufacture.1997, (37)9:1313-1326
[10] Jones S, Yuan C. Advances in shell moulding for investment casting. Journal of Materials Processing Technology. 2003, (135): 258-265
[11] Ito M, Yamagishi T, Oshida Y. Effect of selected physicalproperties of waxes on investments and casting shrinkage. The Journal of Prosthetic Dentistry, 1996, (75): 211-216.
[12] Song Yuhua, Yan Yongnian, Zhang Renji, Lu Qingping, Xu Da. Three dimensional non-linear coupled thermo-mechanical FEM analysis of the dimensional accuracy for casting dies in rapid tooling. Finite Element in Analysis and Design. 2001, (38):79-91
[13] 齐慧，杨屹，蒋玉明．基于ANSYS铸件充型与凝固数值模拟的研究．铸造技术．2002，(23)4：216-218
[14] 钟元龙，宾兵，林元祖．基于INTECAST软件的铸造工艺优化设计．广西机械．2003，(1)：52-55
[15] 王平江、陈吉红等，参数曲面形状误差计算迭代逼近法，华中理工大学学报，Vol．25No．3：1～3 1997．
[16] Wolf K, Roller D, Schafer D, An approch to computer-aided quality control based on 3D coordinate metrology, Journal of Materials Processing Technology, No. 107,: 96-110, 2000.
[17] 刘世忠，李嘉荣，唐定忠，钟振纲．单晶高温合金定向凝固过程数值模拟．材料工程．1999，(7)：40-42
[18] 韩毅，李原，杨海成．发动机涡轮叶片铸件综合数据模型的无纸化设计方法．西北工业大学学报，2001，(19)3：386-389
[19] Balendra R. Economic considerations in die-form compensation for net-forming. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 115(2): 260～263.
[20] 杨亚杰 铸造模拟软件PROCAST，CAD／CAM与制造业信息化
[21] 李倩，王松杰，申长雨，刘春太．模具设计中收缩率的预测．电加工与模具．2002，(5)：53-54
[22] Korakianitis T, Pantazopoulos G I. Improved turbine-blade design techniques using 4th-order parametric spline segments. Computer-Aided Design. 1993, 25(5): 289-291
[23] 陈铁，刘仪，刘斌，向一敏．轴流式叶轮机械叶型的参数设计方法．西安交通大学学报，1997，(31)：52-57．
[24] 姜不居，熔模精密铸造，北京：机械工业出版社，2004．4，8-9．
[25] 熊有伦．复杂曲面的计算机辅助测量原理．华中科技大学学报(自然科学版)，1988，(26)1：32-35
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[30] 施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条，高等教育出版社，2001．
[31] 张丹，工件-夹具系统的误差产生机理、建模与优化设计关键技术研究，博士学位论文，西北工业大学，2006年．
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[33] 杨飞，CAE在逆向工程中的应用[J]，计算机辅助工程，2002，2(7)：31-34．
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[36] 张伟，姜献峰，马亚良，逆向工程误差剖析与质量控制[J]，机电工程2001，18(1)：26-31．
[37] 刘国晖，周维海，李建，逆向工程中截面测量数据的曲线拟合[J]，燕山大学学报，2005，29(5)：38-41．
[38] 张学昌，习俊通，严隽琪，基于点集数据的复杂型面数字化检测技术研究[J]，计算机集成制造系统，2005，11(5)：54-56．
[39] 郭艳玲，直纹面方针数据点两种离散：疗法的研究[J]，林业机械与木工设备，2001，29(2)：18-21．
[40] 严庆光，李明哲，李东成，多点成形件检测中三维数据配准方法的研究[J]，中国机械工程，2003，14(19)：25-29．
[41] 吕志刚，姜不居，周泽衡，中国熔模精密铸造展望[J]，铸造技术，2003 24(3)：163-166．
[42] 薛祥，尹成明，周彼德，精密铸造三级动叶片缩松和锁孔缺陷的预测[J]，计算机应用，2002 51(4)：228-231．
[43] 黄劲东，张定华，周西军，航空发动机涡轮叶片精铸模CAD／CAM系统[J]，航空制造工程，1996(3)：34-35。
[44] 叶俊杰，董怀宇，熊守美，铸造充型与凝固过程的变网格数值模拟研究[J]，计算机应用，2002 51(9)：557-560．
[45] 孙琨，翟建民，卢秉恒，复杂铸件凝固的三维有限元数值模拟[J]，铸造技术2001(2)：12-15．
[46] 刘文文，聂恒敬，一种自适应的平面线轮廓度误差评定方法[J]，计量学报，1999，20(1)：27-16。
[47] 吴家升，张义力，王军杰，逆向工程技术中数据采集方法及技巧[J]，机械制造，2002，489(43)：14-17．
[48] 杨永跃，邓善熙，何革群，风力机叶片检测中的机器视觉技术[J]，太阳能学报，2003，24(2)：36-41。
[49] 王霄，逆向工程技术及其应用 化学工业出版社，2004．9
[50] 吴立军，王卫兵，谢龙汉，逆向工程中三维测量的若干技巧[J]，模具工业，2004，19(5)：45-51．
[51] 王军伟，叶片类曲面造型中的参数网格优化技术[D]，西北工业大学，硕士学位论文，2003．4
[52] 韩毅，李原，杨海成 发动机涡轮叶片铸件综合数据模型的无纸化设计方法，《西北工业大学学报》，2001，8，386～389
[53] 卜昆 基于精铸位移场的模具收缩率分布模型研究 2000．3，1～5
[54] 赵杰 涡轮叶片曲面重构及误差控制技术研究 硕士学位论文开题报告 2003．3， 1～5
[55] 尹延东，徐宏德，郭伟 应用I-DEAS和ProCAST软件对制动盘进行铸造工艺优化分析《四机科技》1999年第3期，10～13
[56] PROCAST User Manual Version 2004.0
[57] 林桂伍 基于值域的快速排序法 福州大学学报(自然科学版) 1997．4
[58] 陈书让 超大数据量的快速排序法物探化探计算技术 2000．11
[59] 宗培，文建成，罗宇，李朝林 焊接结构反变形的有限元法计算 船海工程 2001年第5期，5～7
[2] 林国荣，铸件形成过程计算技术数值模拟的发展及应用，现代铸铁，2001，(2)：8-13
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[49] 王霄，逆向工程技术及其应用 化学工业出版社，2004．9
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[54] 赵杰 涡轮叶片曲面重构及误差控制技术研究 硕士学位论文开题报告 2003．3， 1～5
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