涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法技术

涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法，涉及机械领域。1)加密曲线离散点；2)B样条拟合设计曲线；3)基于曲线细分的方法寻找实测数据对应点；4)构造自由变形网格：通过操纵设计网格控制点变形物体；5)迭代计算位移变形：通过迭代调整设计曲线控制点构建一系列拟合曲线，每次迭代中，每个控制点的差向量是该目标曲线数据点与拟合曲线上对应点的一些差向量的加权和，差向量的加权和即为迭代计算位移变形量；6)采用迭代变形量对设计曲线反变形。在保留设计意图的基础上根据测点数据的偏差量对涡轮叶片精铸模具型面反变形优化设计，提高涡轮叶片精铸模具型面的曲面重构精度及实用性，实现精铸涡轮叶片基于B样条特性的型腔反变形优化。化。化。

【技术实现步骤摘要】
涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法


[0001]本专利技术涉及机械领域，尤其是涉及一种基于B样条曲线细分的涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片一般采用定向结晶或单晶净成形精密铸造。在我国航空发动机精铸涡轮叶片设计制造过程中，由于模具设计的尺寸不够合理导致精铸叶片的型面精度低、质量不稳、废品率很高的问题一直没有解决。国外主要发动机公司均已经建立定向凝固和单晶涡轮叶片精铸生产线，铸造工艺较为成熟，针对涡轮叶片铸件型面的“精确控形”问题已亟待解决。涡轮叶片在精铸过程中，高温液态合金注入型壳后，随温度的降低，会产生变形。涡轮叶片的结构形状复杂，导致铸件冷却时散热不均，叶片各点的变形也不均匀，因此铸件的实际变形情况是非线性的，这导致铸件尺寸超差，出现无法铸造出合格的涡轮叶片的情况。这已经成为涡轮叶片净成形精密铸造领域的一大痛点，因此提出一套能够结合设计意图和测量数据的涡轮叶片精铸模具型面反变形优化设计方法是必要的。
[0003]精铸模具型面反变形设计需补偿铸件在凝固冷却过程中的变形。国内首先采用型面放缩法补偿，分为均匀放缩法、弦长放缩法、中弧线放缩法和收缩中心放缩法，这四种放缩法的收缩率仍然采用常数，不同之处在于收缩中心和方向的选取不一致。这类方法虽简便，但存在着明显的不足：首先涡轮叶片的均匀收缩近似，即假设在不同部位收缩率数值相同，其次是涡轮叶片体积收缩的比例近似，仅将涡轮叶片设计型面坐标线沿法向比例增厚或者缩小实现模具型腔的补偿，忽略涡轮叶片的非刚性变形。针对型面放缩法的不足，一些研究者提出沿x、y和z方向上赋值不同的收缩率，取得一定的效果。但缺点是收缩率在各方向仍然采用常数或线性赋值，还需要根据浇出铸件的形状和尺寸，不断对铸造模型予以修正。随着铸造过程数值模拟技术的成熟，提出将数值模拟所得的变形量反向叠加于节点上的方法，再次通过多次迭代使得涡轮叶片收缩变形后的形状与理想设计形状非常接近。不足之处在于在铸件变形较大的地方，网格的质量有所降低，从而影响到数值模拟计算的收敛性和模拟结果的正确性。之后有人提出一种基于位移场仿真与特征参数提取的精铸模具型面反变形方法，通过对反映叶型特征参数的提取、叶型的复原和调整，实现非线性收缩变形的补偿。不足之处在于逆向调整采用的为线性反向叠加凝固前后的偏差量，忽略由于叠加本身产生的变形；对于数种特征参数同时逆向调整，忽略参数之间的耦合关系；且针对不同截面的几何特征参数逆向调整也容易导致最终曲面重构的困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的以上不足，提供一种基于B样条曲线细分的涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法，在保留设计意图的基础上根据测点数据的偏差量对涡轮叶片精铸模具型面进行反变形优化设计，旨在基于耦合变形去优化精铸模具的设计尺寸，保证铸件尺寸不出现超差，提高涡轮叶片精铸模具型面的曲面重构精度及实用性，
实现涡轮叶片净成形精密铸造。
[0005]本专利技术包括以下步骤：
[0006]1)加密曲线离散点：将待加密曲线的拟合区域网格化，确定网格点x的影响区域大小以及包含在该影响区域内的节点，确定形状函数后计算网格点x处节点值，对每个网格点进行以上处理，进行曲线加密；
[0007]2)B样条拟合设计曲线：根据累计弦长参数化方法对设计曲线上离散点进行参数化，要求设计曲线的首末端点通过B样条曲线的首末端点，设计曲线上其余离散点利用最小二乘思想通过B样条曲线进行拟合，多次迭代减小拟合偏差，以此确定控制点数，从而完成利用B样条拟合设计曲线；
[0008]3)求设计曲线上实测数据点的对应点：基于曲线细分的方法寻找对应点，利用B样条曲线的节点插入算法，将B样条曲线细分为一组Bezier曲线；在二叉树搜索过程中对于每一条Bezier曲线再次细分，并判断是否满足条件，若满足条件，则再次细分，直至曲线段小于设定的阈值，判断候选点中最小值即获得设计曲线上实测数据点的对应点；
[0009]4)构造自由变形网格：通过操纵设计网格的控制点来变形物体，通过采用具有局部支撑性的B样条基函数，可实现局部自由变形；考虑到本次的对象是二维B样条，将设计最简单的网格定义为具有控制点网格的轴向网格，表示为B样条曲面；
[0010]5)迭代计算位移变形：通过迭代调整设计曲线控制点构建一系列拟合曲线，在每次迭代中，每个控制点的差向量是该目标曲线数据点与拟合曲线上对应点的一些差向量的加权和，差向量的加权和即为迭代计算位移变形量；
[0011]6)采用迭代变形量对设计曲线进行反变形：在变形后的B样条控制点和变形前的控制点对应的情况下，将数据点的加权差向量的累加作为反变形参数，计算嵌在网格内控制点的变形矩阵，通过操纵网格对设计曲线进行反变形。
[0012]在步骤3)中，所述获得设计曲线上实测数据点的对应点的具体方法，以实测曲线上一点为例(以下简称为实测点)，实测点到设计曲线上对应点的距离，可以转化为实测点到一组Bezier曲线上的距离，然后将最小化距离函数问题转化为关于参数t的多项式函数的零点问题。在二叉树搜索过程中随着深度细分Bezier曲线，判断参数t的多项式函数是否在t轴同侧，同侧则被排除，异侧则被标记为候选点，最后取候选点中最小值作为设计曲线上实测点最近点。
[0013]在步骤4)中，所述构造自由变形网格，包括构造包含模型的二维自由变形网格，变形操作不直接作用于物体，而是作用于所嵌入的变形空间，构造包含模型的二维自由变形网格主要包括以下两个步骤：构造一个局部二维坐标系，然后计算模型每个顶点坐标所对应的局部坐标，将曲线模型嵌入一个框架中；基于三元Bernstein多元幂函数，移动控制点，利用模型顶点局部坐标、控制点世界坐标和伯恩斯坦Bernstein多项式重新计算模型每个顶点的世界坐标，框架将模型“拉扯”，实现变形。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]本专利技术提供一种基于B样条曲线细分的涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法，该方法有效实现通过实测数据和最大程度地保留设计意图的最优折衷，实现精铸涡轮叶片基于B样条特性的型腔反变形优化，为后续从二维叠加到三维重建提供便利的前置基础，相较于离散点三维重建工作节省大量光顺成本和时间。由于所采用的自由变形(FFD)算法与
涡轮叶片型线参数化设计方法密切相关，因此可以方便地将涡轮叶片设计、建模、加工等所有相关技术集成到任意CAD平台上，高效地实现涡轮叶片型线参数化操作。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的点云较稀疏的叶盆叶背曲线加密效果图；
[0017]图2为本专利技术的设计模型叶背曲线拟合示意图；
[0018]图3为本专利技术的曲线细分效果图；
[0019]图4为本专利技术的自由变形网格效果图；
[0020]图5为本专利技术的迭代计算拟合误差向量示意图。
具体实施方式
[0021]以下实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。
[0022]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)加密曲线离散点；2)B样条拟合设计曲线；3)求设计曲线上实测数据点的对应点：基于曲线细分的方法寻找对应点，利用B样条曲线的节点插入算法，将B样条曲线细分为一组Bezier曲线；在二叉树搜索过程中对于每一条Bezier曲线再次细分，并判断是否满足条件，若满足条件，则再次细分，直至曲线段小于设定的阈值；4)构造自由变形网格：通过操纵设计网格的控制点变形物体，通过采用具有局部支撑性的B样条基函数，可实现局部自由变形；5)迭代计算位移变形：通过迭代调整设计曲线控制点构建一系列拟合曲线，在每次迭代中，每个控制点的差向量是该目标曲线数据点与拟合曲线上对应点的差向量的加权和，差向量的加权和即为迭代计算位移变形量；6)采用迭代变形量对设计曲线进行反变形：在设计曲线的B样条控制点和测量数据曲线的控制点对应的情况下，将数据点的加权差向量的累和作为反变形参数，计算嵌在网格内控制点的变形矩阵，通过操纵网格对设计曲线进行反变形。2.如权利要求1所述涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法，其特征在于在步骤1)中，所述加密曲线离散点的具体方法为：将待加密曲线的拟合区域网格化，确定网格点x的影响区域大小以及包含在该影响区域内的节点，确定形状函数后计算网格点x处节点值，对每个网格点进行以上处理，进行曲线加密。3.如权利要求1所述涡轮叶片精铸模具型面反变形设计方法，其特征在于在步骤2)中，所述B样条拟合设计曲线的具体方法为：根据累计弦长参...

【专利技术属性】
技术研发人员：董一巍，钱华敏，许博，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：