一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统，其包括：1)建立案例叶片工装数据库；2)从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点布局；5)基于目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及目标叶片三维定位点和夹紧点布局，得到目标叶片夹具的最终三维模型。本发明专利技术可以广泛应用于航空发动机制造领域。

A design method and system of fixture for Aeroengine near net shape blade

【技术实现步骤摘要】
一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统
本专利技术涉及航空发动机叶片加工制造
，具体涉及一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统。
技术介绍
近净成形叶片(包括无余量精锻叶片、无余量精铸叶片等)已成为未来航空发动机叶片技术的重要发展趋势，该技术可使叶片叶身精锻成形，但叶片的进排气边、叶尖和榫头需进行二次加工。在进行叶片榫头二次加工时，目前采用自适应加工工艺结合柔性工装夹具的方案，其中柔性工装采用柔性元件和叶片叶身接触，用来保护叶片不被装夹损坏，自适应加工工艺用来补偿因为柔性工装引起的叶片位置变动。然而，在叶片自适应加工工艺中，既有由装夹引起的叶片整体变形，也有因为不当的装夹力和切削力引起的局部变形，整体变形可以通过自适应加工工艺来补偿，但是叶片的局部变形将直接与叶片装夹方案和布局相关。同时，夹具的布局优化和设计直接关系到系统的刚度，因此在叶片自适应加工工艺系统中夹具的布局优化直接关系到工艺系统的刚度，影响叶片的加工效率、加工精度和加工表面质量。然而，在叶片的加工中，由于叶片种类多，数量多，导致夹具的需求大，针对每一种类型的叶片设计并分析相应的夹具将是一件很艰巨的工作。现有技术无法实现面向自适应加工工艺体系的夹具设计与布局优化的计算机辅助快速设计体系与方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统，可以有效降低航空发动机近净成形叶片夹具的设计成本，缩短设计周期，提高夹具设计和生产的效率。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：本专利技术的第一个方面，是提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其包括以下步骤：1)建立案例叶片工装数据库；2)采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点的布局；5)基于步骤3)得到的目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及步骤4)得到的目标叶片三维的定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型，用于工业生产中。进一步，所述步骤1)中，案例叶片工装数据库的构建方法，包括以下步骤：1.1)在CAD软件中导入待加工航空发动机近净成形案例叶片的三维扫描模型；1.2)根据企业生产经验，将对应步骤1.1)中案例叶片结构的最优化工装夹具模型导入对应案例叶片的三维扫描模型中；1.3)将步骤1.1)中的案例叶片的三维扫描模型和步骤1.2)中的最优化工装夹具模型进行数字化排序、分类整理与编号，得到案例叶片工装数据库。进一步，所述步骤2)中，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片的方法，包括以下步骤：2.1)获取待设计工装夹具的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性；2.2)将获取的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性与步骤1)中建立的案例叶片工装数据库中各案例叶片的三维扫描模型和工艺特性进行对比，并根据相似性算法找到目标叶片对应的相似案例叶片的三维扫描模型、工艺特性及其最优化工装夹具模型信息。进一步，所述步骤4)中，得到目标叶片三维夹具的布局点的方法，包括以下步骤：4.1)构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息；4.2)二维平面内，对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局；4.3)基于步骤4.1)构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维夹具的布局点。进一步，所述步骤4.1)中，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息的方法，包括以下步骤：4.1.1)根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；4.1.2)依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；4.1.3)将步骤4.1.2)中得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。进一步，所述步骤4.2)中，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局的方法，包括以下步骤：4.2.1)将得到的包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图进行网格化；4.2.2)选择目标叶片和相似案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和相似案例叶片上各选取预设点数作为控制点；4.2.3)应用二维面网格仿射变形方法，以目标叶片的边缘轮廓和相似案例叶片的边缘轮廓为约束点，把目标叶片面变换为与相似案例叶片相对应的面；4.2.4)将二维平面内相似案例叶片的夹具定位点和夹紧点布局转换为目标叶片的定位点和夹紧点，执行步骤4.2.3)的逆变换，将与相似案例叶片相对应的面以及面上的定位点和夹紧点一起进行逆变换为目标叶片面以及目标叶片面上的定位点和夹紧点，获得二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。本专利技术的第二个方面，是提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其包括：数据库构建模块，用于建立案例叶片工装数据库；相似案例叶片确定模块，用于采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；机械结构三维模型确定模块，用于基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；三维布局点确定模块，用于对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维夹具的定位点和夹紧点的布局；夹具模型确定模块，用于根据目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及目标叶片三维夹具的布局点，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型。进一步，所述三维布局点确定模块包括：空间投影模块，用于构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图信息；仿射变换模块，用于对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于包括以下步骤：/n1)建立案例叶片工装数据库；/n2)采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；/n3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；/n4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点布局；/n5)基于步骤3)得到的目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及步骤4)得到的目标叶片三维定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型，用于工业生产中。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)建立案例叶片工装数据库；
2)采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；
3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；
4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点布局；
5)基于步骤3)得到的目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及步骤4)得到的目标叶片三维定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型，用于工业生产中。


2.如权利要求1所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤1)中，案例叶片工装数据库的构建方法，包括以下步骤：
1.1)在CAD软件中导入待加工航空发动机近净成形案例叶片的三维扫描模型；
1.2)根据企业生产经验，将对应步骤1.1)中案例叶片结构的最优化工装夹具模型导入对应案例叶片的三维扫描模型中；
1.3)将步骤1.1)中的案例叶片的三维扫描模型和步骤1.2)中的最优化工装夹具模型分类，并进行数字化排序、分类整理与编号，得到案例叶片工装数据库。


3.如权利要求1所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片的方法，包括以下步骤：
2.1)获取待设计工装夹具的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性；
2.2)将获取的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性与步骤1)中建立的案例叶片工装数据库中各案例叶片的三维扫描模型和工艺特性进行对比，并根据相似性算法找到目标叶片对应的相似案例叶片的三维扫描模型、工艺特性及其最优化工装夹具模型信息。


4.如权利要求1所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中，得到目标叶片三维夹具的布局点的方法，包括以下步骤：
4.1)构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息；
4.2)二维平面内，对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局；
4.3)基于步骤4.1)构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维夹具的布局点。


5.如权利要求4所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤4.1)中，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息的方法，包括以下步骤：
4.1.1)根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；
4.1.2)依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；
4.1.3)将步骤4.1.2)中得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。


6.如权利要求4所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局的方法，包括以下步骤：
4.2.1)将得到的包含目标叶片和相似案...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，吴动波，裴润森，余杰，张丽丽，梁嘉炜，周峰，陈海瑛，
申请(专利权)人：清华大学，中国航发动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11