一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，包括：S1，实验设计并按照设计进行模拟浇注；S2，搭建响应数据库；S3，建立响应面近似模型；S4，优化响应面近似模型，得到优化设计参数。本发明专利技术中冒口尺寸基于数据驱动的仿真模拟计算智能优化得到，铸件得到充分补缩时冒口体积最小，冒口内缩松离上端面的距离最小，出品率最高。本发明专利技术可明显消除铸件缩松缺陷，提高铸件质量，提升工艺出品率；同时以数据为基础，利用智能优化算法，建立近似模型，极大加速自动寻优过程，提高了计算精度和降低了计算成本，可用于铸造新工艺开发，可用于泵壳、叶轮、阀体、高温合金机匣等铸造产品制造领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法
本专利技术涉及航空制造
，具体地，涉及一种用于高温合金薄壁环形机匣铸件数据驱动的铸造冒口设计方法、电子设备以及介质。
技术介绍
自上世纪中后期以来，我国的高温合金熔模精密铸造技术迅猛发展，后劲十足。航空发动机的叶片、压气机环、涡轮盘、轴、燃烧室、加力燃烧室部件、高温合金紧固件等多种部件均采用高温合金材料。高温合金在航空产业之所以如此著名，是因为其长期在高温条件下具有良好的抗氧化性、抗蠕变性和持久强度。航空发动机高温合金热端铸件的研发和精密铸造长期依赖于大量经验积累和简单循环试错为特征的“经验寻优”方式，孤岛控制、科学性差、偶然性大，因而造成设计周期长和产品合格率低。国外经过多年的数据积累、集成计算材料工程、材料基因工程与先进制造计划2040的研究，已取得领先优势。为了缩短与国外先进水平的差距，我国迫切需要转变传统的研发模式，发展引领我国航空发动机构件铸造水平实现跨越式进步的新原理。目前，基于数据驱动的智能铸造研究与应用方面仍处于起步阶段。走数据驱动的复杂铸造系统尺寸误差精密调控的智能铸造技术与路线，是中国航空发动机高温合金铸件精密成型换道超车的必由之路。因此，针对航空发动机复杂薄壁铸件，开展集成计算与数据驱动的智能化理论方法与技术的研究，对加快实现“两机专项”和“中国制造2025”的战略目标，提升自主创新、自主保障能力，赶超国际先进水平具有重大的战略意义。经过对现有技术检索发现，中国专利文献号CN107590315A，公布日期2018.1.16，公开了一种非对称冒口设计方法，该方法现将设计好的浇注系统导入模拟软件，模拟浇注过程，分析对称冒口缺陷，然后添加非对称冒口，通过多次改变在一个方向上的偏移量及非对称冒口尺寸，多次模拟浇注过程，最终获得尺寸较小的非对称冒口。该技术结构复杂，需要反复模拟铸造过程，设计周期长、成本高，智能优化算法尚未开发，“经验+试错法”明显等不足之处。
技术实现思路
针对传统冒口尺寸设计依据半经验公式模数法与反复试验的问题，本专利技术的目的是提供一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法、电子设备及介质。本专利技术第一方面，提供一种基于数据驱动的高温合金铸造冒口设计方法，包括：S1：实验设计并按照设计进行模拟浇注以铸造过程中的浇注参数作为输入参数，以冒口内缩松到上端面的距离和铸件工艺出品率作为输出，设计多组铸造数值模拟Box-Behnken实验方案；所述浇注参数包括冒口高度、冒口直径、合金浇注温度和型壳温度；搭建集成计算平台，将设计好的浇注系统三维模型导入所述集成计算平台，在所述集成计算平台中设置好网格划分、材料属性和浇注参数，再按照所述铸造数值模拟Box-Behnken实验方案自动进行模拟浇注，自动计算冒口内缩松到铸件上端面的距离和工艺出品率作为模拟结果；S2：搭建响应数据库根据S1的模拟结果，搭建实验输入与输出之间的响应数据库；S3：建立响应面近似模型在所述集成计算平台中，以S1中的所述输入参数作为影响因素，以铸件中的冒口内缩松到铸件上端面距离和铸件工艺出品率为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，考察影响因素与考核指标之间的权重关系，分析工艺参数与考核目标的贡献度；S4优化响应面近似模型，得到优化设计参数基于S3得到的响应面近似模型和S2搭建的响应数据库，在所述集成计算平台中采用NSGA-II多目标优化方法，以平均缩松和最大缩松最小化为目的，自动寻优，计算出较优工艺参数组合值群，通过对照Pareto解，得出期望组合；所述较优工艺参数包括冒口高度、冒口直径、合金浇注温度、型壳温度、界面换热系数、浇注速度；当得出的期望组合的结果不满足设定阈值时，重复S1-S4，直至得到符合设定阈值的期望组合。优选地，所述多组铸造数值模拟Box-Behnken实验方案，其中，评价指标包括冒口内缩松到铸件上端面距离y1，铸件工艺出品率y2。优选地，所述搭建集成计算平台，具体为：利用python语言编写能后台调用软件的代码，实现各部分的联通与数据流的传输；所述集成计算平台包括如下功能：自动建立浇注系统三维模型；自动导入设计好的浇注系统三维模型；自动划分网格；自动导入预设好的模拟用浇注参数及材料数据库；自动计算并提取模拟结果；自动搭建近似模型；能自动寻优。优选地，所述建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，包括：S301，考察指标对评价指标的贡献度转化：将贡献度ηij作为衡量考核质量的重要尺度，贡献度越大，表明考核质量对贡献因子的敏感性越小，造成的质量损失越小；考核指标包括考核指标y1，考核指标y2，其中，考核指标y1为冒口内缩松到铸件上端面距离，y1为望小特性；考核指标y2为铸件工艺出品率，y2为望大特性；S302，计算综合质量损失：分别计算冒口里缩松到铸件上端面的距离为考核指标y1，铸件冒口工艺出品率为考核指标y2的基于贡献度的标准化质量损失，然后采用目标加权求和法将多指标响应的标准质量损失转化为单响应指标的综合质量损失，其中多指标是指考核指标y1和y2；S303，建立二阶响应面模型：分别将N组铸造数值模拟Box-Behnken实验方案中的综合质量损失作为响应值y，输入参数作为自变量x，建立综合质量损失y与输入参数x之间的二阶响应面模型，采用数学规划策略求解所述输入参数x与冒口内缩松到铸件上表面距离、铸件工艺出品率的响应关系。优选地，所述S301中：假设浇注过程铸造数值模拟Box-Behnken实验方案有N组、k个考核指标，将第i个考核指标在第j组试验中形成的第n组质量特征数据记为yij(n)，将n组质量特征数据的贡献度记为ηij，其中1≤i≤k，1≤j≤N，1≤w≤n，则：若yij为望小特性，其贡献度ηij为：若yij为望大特性，其贡献度ηij为：若yij为望目特性，假设其望目特性为m,则其改进的贡献度ηij为：优选地，所述S302，计算综合质量损失具体采用以下公式：其中：yij——第i个考核指标在第j组试验中的标准化质量损失，0≤yij≤1；——第i个考核指标在其所有试验中的最大质量损失；ηi——第i个考核指标在其所有试验中的贡献度；Q——质量损失系数；ηij——贡献度；yj第j组试验中的综合质量损失；αi——权重系数，反映第i个考核指标对稳健性的要求程度，αi∈[0,l]，且∑αi＝l。优选地，所述S303中，二阶响应面模型如下：其中，b0，bi，bii，bij为各自的待定系数；til为设计参量xi的下边界，ti2为设计参量xi的上边界。xj、xk分别为输入参数。本专利技术第二方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于上述的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，其特征在于：包括：/nS1：实验设计并按照设计进行模拟浇注/n以铸造过程中的浇注参数作为输入参数，以冒口内缩松到上端面的距离和铸件工艺出品率作为输出，设计多组铸造数值模拟Box-Behnken实验方案；所述浇注参数包括冒口高度、冒口直径、合金浇注温度和型壳温度；/n搭建集成计算平台，将设计好的浇注系统三维模型导入所述集成计算平台，在所述集成计算平台中设置好网格划分、材料属性和浇注参数，再按照所述铸造数值模拟Box-Behnken实验方案自动进行模拟浇注，自动计算冒口内缩松到铸件上端面的距离和工艺出品率作为模拟结果；/nS2：搭建响应数据库/n根据S1的模拟结果，搭建实验输入与输出之间的响应数据库；/nS3：建立响应面近似模型/n在所述集成计算平台中，以S1中的所述输入参数作为影响因素，以铸件中的冒口内缩松到铸件上端面距离和铸件工艺出品率为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，考察影响因素与考核指标之间的权重关系，分析工艺参数与考核目标的贡献度；/nS4：优化响应面近似模型，得到优化设计参数/n基于S3得到的响应面近似模型和S2搭建的响应数据库，在所述集成计算平台中采用NSGA-II多目标优化方法，以平均缩松和最大缩松最小化为目的，自动寻优，计算出较优工艺参数组合值群，通过对照Pareto解，得出期望组合；所述较优工艺参数包括冒口高度、冒口直径、合金浇注温度、型壳温度、界面换热系数、浇注速度；/n当得出的期望组合的结果不满足设定阈值时，重复S1-S4，直至得到符合设定阈值的期望组合。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，其特征在于：包括：
S1：实验设计并按照设计进行模拟浇注
以铸造过程中的浇注参数作为输入参数，以冒口内缩松到上端面的距离和铸件工艺出品率作为输出，设计多组铸造数值模拟Box-Behnken实验方案；所述浇注参数包括冒口高度、冒口直径、合金浇注温度和型壳温度；
搭建集成计算平台，将设计好的浇注系统三维模型导入所述集成计算平台，在所述集成计算平台中设置好网格划分、材料属性和浇注参数，再按照所述铸造数值模拟Box-Behnken实验方案自动进行模拟浇注，自动计算冒口内缩松到铸件上端面的距离和工艺出品率作为模拟结果；
S2：搭建响应数据库
根据S1的模拟结果，搭建实验输入与输出之间的响应数据库；
S3：建立响应面近似模型
在所述集成计算平台中，以S1中的所述输入参数作为影响因素，以铸件中的冒口内缩松到铸件上端面距离和铸件工艺出品率为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，考察影响因素与考核指标之间的权重关系，分析工艺参数与考核目标的贡献度；
S4：优化响应面近似模型，得到优化设计参数
基于S3得到的响应面近似模型和S2搭建的响应数据库，在所述集成计算平台中采用NSGA-II多目标优化方法，以平均缩松和最大缩松最小化为目的，自动寻优，计算出较优工艺参数组合值群，通过对照Pareto解，得出期望组合；所述较优工艺参数包括冒口高度、冒口直径、合金浇注温度、型壳温度、界面换热系数、浇注速度；
当得出的期望组合的结果不满足设定阈值时，重复S1-S4，直至得到符合设定阈值的期望组合。


2.根据权利要求1所述的一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，其特征在于：所述多组铸造数值模拟Box-Behnken实验方案，其中，评价指标包括冒口内缩松到铸件上端面距离y1，铸件工艺出品率y2。


3.根据权利要求1所述的一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，其特征在于：所述搭建集成计算平台，具体为：利用python语言编写能后台调用软件的代码，实现各部分的联通与数据流的传输。


4.根据权利要求3所述的一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，其特征在于：所述集成计算平台包括如下功能：
自动建立浇注系统三维模型；
自动导入设计好的浇注系统三维模型；
自动划分网格；
自动导入预设好的模拟用浇注参数及材料数据库；
自动计算并提取模拟结果；
自动搭建近似模型；
能自动寻优。


5.根据权利要求1所述的一种基于集成计算与数据驱动的铸造冒口设计方法，其特征在于：所述建立考核指标与影响因素之间的响应面近似模型，包括：
S301，考察指标对评价指标的贡献度转化：
将贡献度ηij作为衡量考核质量的重要尺度，贡献度越大，表明考核质...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪东红，谭诗薪，易出山，郝新，疏达，孙宝德，李飞，祝国梁，雷四雄，董安平，
申请(专利权)人：上海交通大学，中国航发南方工业有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31