一种基于刚度最小化的精铸件去约束仿真方法技术

本发明专利技术属于高温合金熔模精密制造技术领域，具体公开了一种基于刚度最小化的精铸件去约束仿真方法，用来解决仿真过程中铸件尺寸偏差大的问题。主要包括以下步骤：(1)将完整三维模型分开建立多个有限元模型；(2)重新装配各有限元模型、进行凝固计算；(3)以上一步网格为基准，保证网格节点不改变，将各部件凝固结果进行映射，同时将需要去除的约束设置刚度最小，换热系数改为与空气交换，以达到室温去约束的目的；(4)将去约束前、后与实测尺寸的偏差进行对比。本发明专利技术既可以预测叶片的尺寸变化，又保证了整个过程中网格节点不改变，为柱晶涡轮叶片尺寸变形研究提供了可靠的尺寸数据。轮叶片尺寸变形研究提供了可靠的尺寸数据。轮叶片尺寸变形研究提供了可靠的尺寸数据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于刚度最小化的精铸件去约束仿真方法


[0001]本专利技术涉及高温合金熔模精密制造领域，是一种采用刚度最小化的方式来模拟涡轮叶片去约束的新型制造仿真研究方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机最关键的热端部件之一，因其高精度和高性能的要求，其制备通常采用熔模精密铸造。目前，高温合金叶片制备过程中易产生断漏芯、杂晶、尺寸超差等缺陷，其中，由于尺寸超差导致的叶片不合格率高达60％。叶片铸件在制造过程中由于温度场不可视、难以控制极易导致变形的发生，使用数值模拟技术不仅可以全过程查看制造过程的温度场变化，还可以同时监测尺寸的变化情况。铸造过程中铸件尺寸会受到多种约束的影响，若能将这些约束去除，铸件的尺寸也会随之发生较大改变。这里的约束指的是制造过程中所包含的除涡轮叶片以外的所有部分，比如模壳、陶芯、延长段、引晶段等，去约束的过程就是指叶片去除这些部分的过程。
[0003]在涡轮叶片有限元仿真分析中，网格数量多达几万个，若要进行后续连续仿真，则要保证整个过程网格节点的变动极小甚至不改变。在弹性范围内，刚度是指引起单位位移所需的力，刚度最小化是指刚度无限接近0的一种理想状态，刚度最小化的零部件对与其接触的零部件可视作没有约束。用于实际生产的叶片在尺寸测量时已经去除了所有约束，而之前的制造仿真并未考虑去约束对铸件最终状态的影响，导致仿真结果和实测叶片尺寸数据超差大于0.3mm。因此，提出一种去约束过程的制造仿真十分必要。

技术实现思路

[0004]为了既能较为准确地预测最终叶片的变形分布情况，又能保证整个过程有限元网格节点信息的一致性，本专利技术提出一种基于刚度最小化的柱晶涡轮叶片去约束数值模拟新方法。采用一定的仿真技术手段，将需要在实际生产中去除的约束单独进行有限元网格划分，在叶片完成凝固仿真后，在保证网格节点序号不改变的前提下，通过对约束部分刚度和辐射的调整，模拟其模壳、延长段、引晶段、陶芯、冷铜的去除过程，使这些约束对叶片尺寸造成的影响减小，从而使预测结果排除约束的影响，更符合叶片实际状态下尺寸大小，为柱晶涡轮叶片的后续研究提供可靠的尺寸变化数据。
[0005]本专利技术实现上述目的的技术解决方案包括以下步骤：
[0006]步骤1
[0007]将已经设计完成的完整CAD模型根据实际生产工艺分开建立多个有限元模型，方法为：
[0008][1]将整个设计模型从三维建模软件(UG)导入有限元前处理软件(HyperMesh)中，使用Mask命令将叶片、引晶段、延长段、浇道、陶芯、冷铜、炉体划分开，使用Surfaces命令将空缺面补全后将上述各模型分别导出。
[0009][2]将[1]中不同的CAD模型进行有限元网格的划分后分别导出。
[0010][3]在铸造专用有限元软件(ProCAST)中进行除炉体外所有不同有限元模型的装配，模型装配完毕后，使用Shell命令生成模壳。
[0011][4]将含模壳的装配体与炉体进行装配，得到最终的完整模型。
[0012][5]对完整模型进行前处理参数设置、凝固过程求解。
[0013]步骤2
[0014]实现对完成凝固仿真的铸件进行去约束，去约束的顺序和工厂生产实际保持一致，具体去约束步骤为：
[0015][1]将步骤1中完整装配体文件复制至新文件夹中，作为初始去约束文件，保证整个过程有限元网格节点与凝固仿真时一致。
[0016][2]设置模壳、陶芯、冷铜、引晶段、延长段、浇道的材料应力属性为刚度最小，换热方式为与空气进行热交换。
[0017][3]将整个炉体的温度设置为室温、抽拉速率设置为0。
[0018][4]进行初始条件设定，将除炉体外的所有装配体全选后，使用提取映射命令提取步骤1凝固计算解，以此作为步骤2去约束的初始条件。具体的提取内容包含温度、应力和尺寸。
[0019][5]设置去约束仿真运行参数，提交运算。
[0020][6]下一个部件的仿真去约束过程重复[1]‑
[5]。
[0021]步骤3
[0022]提取对应面处的叶片外轮廓尺寸，将实测叶片与去约束前后尺寸大小进行比较。
[0023]本专利技术的有益效果是：根据生产实际，采用去约束的仿真方式，既能使约束对叶片造成的尺寸束缚得到释放，使预测更符合叶片实际状态下的尺寸分布情况，又能使整个过程不改变网格节点编号，为柱晶涡轮叶片的连续仿真研究提供可靠的尺寸变化数据。该方法不仅保留了整个过程各部件的有限元网格完整性，而且提高了仿真的准确性，使预测结果更加准确，对生产有重要的指导意义。
[0024]下面结合附图和实例对本专利技术进一步说明。
附图说明
[0025]图1是本专利技术的流程图。
[0026]图2是浇道的CAD模型。
[0027]图3是引晶段的CAD模型。
[0028]图4是延长段的CAD模型。
[0029]图5是冷铜的CAD模型。
[0030]图6是除炉体外的有限元装配模型。
[0031]图7是叶身部位尺寸测量截面选取图。
[0032]图8是去约束前、后仿真尺寸与实际尺寸对比图。
[0033]图9是去约束前后网格对比图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本专利技术的实施例做详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前
提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]以某型号柱晶涡轮叶片为例，本专利技术的具体实施流程如图1所示：
[0036]步骤1
[0037]将已经设计完成的完整CAD模型根据实际生产工艺分开建立多个有限元模型，方法为：
[0038][1]将整个设计模型从三维建模软件(UG)导入有限元前处理软件(HyperMesh)中，使用Mask命令将叶片、引晶段、延长段、浇道、陶芯、冷铜、炉体划分开，使用Surfaces命令将空缺面补全后将上述各模型分别导出。
[0039]图2是浇道CAD模型。
[0040]图3是引晶段的CAD模型。
[0041]图4是延长段的CAD模型。
[0042]图5是冷铜的CAD模型。
[0043][2]将[1]中不同的CAD模型进行有限元网格的划分后分别导出。
[0044][3]在铸造专用有限元软件(ProCAST)中进行除炉体外所有不同有限元模型的装配，模型装配完毕后，使用Shell命令生成模壳。
[0045]图6为不含炉体的有限元装配体。
[0046][4]将含模壳的装配体与炉体进行装配，得到最终的完整模型。
[0047][5]对完整模型进行前处理参数设置、凝固过程求解。
[0048]步骤2
[0049]实现对完成凝固仿真的铸件进行去约束，去约束的顺序和工厂生产实际保持一致，具体去约束步骤为：
[0050][1]将步骤1中完整装配体文件复制至新文件夹中，作为初始去约束文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于刚度最小化的精铸件去约束仿真方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1将已经设计完成的完整CAD模型根据实际生产工艺分开建立多个有限元模型，方法为：[1]将整个设计模型从三维建模软件(UG)导入有限元前处理软件(HyperMesh)中，使用Mask命令将叶片、引晶段、延长段、浇道、陶芯、冷铜、炉体划分开，使用Surfaces命令将空缺面补全后将上述各模型分别导出。[2]将[1]中不同的CAD模型进行有限元网格的划分后分别导出。[3]在铸造专用有限元软件(ProCAST)中进行除炉体外所有不同有限元模型的装配，模型装配完毕后，使用Shell命令生成模壳。[4]将含模壳的装配体与炉体进行装配，得到最终的完整模型。[5]对完整模型进行前处理参数设置、凝固过程求解。步骤2实现对完成凝固仿真的铸...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜昆，王硕，段朋国，张雅莉，牟升，任胜杰，张现东，杨婧钊，刘军，张海云，张瑞媛，白博贤，李翔，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：