一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统及方法技术方案

本发明专利技术属于熔模精密铸造技术领域，具体为一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统及方法。系统包括客户端，用于实现涡轮叶片精铸过程中的传感器数据采集以及可视化渲染；服务端，用于实现对应力场有限元仿真数据进行训练，得到代理模型；客户端和服务端通过Socket通信实现数据连接与信息交互，共同构成涡轮叶片的数字孪生模型；利用客户端采集到的传感器数据对数字孪生模型进行更新优化。利用Unity3D进行应力云图可视化展示，基于RBF插值方法降低计算机实时渲染开销，解决涡轮叶片精铸过程中应力实时测量困难、无法可视化问题。相对于有限元仿真应力预测的平均绝对误差435.42MPa，本发明专利技术平均绝对误差为97.05MPa，能够有效地降低误差，提高预测精度。提高预测精度。提高预测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统及方法


[0001]本专利技术属于熔模精密铸造
，具体为一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统及方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片是由大量自由曲面和复杂空心内腔组成的高强度薄壁结构件，通常采用熔模精密铸造工艺制成，是材料成型和精密铸造领域尖端科技的结晶。然而国内航空发动机的应用情况表明，涡轮叶片精密铸造过程中仍存在质量不稳定、废品率较高的问题，叶片常见的质量问题主要包括尺寸超差、缩孔、裂纹等，定向柱晶和单晶叶片还容易产生杂晶和再结晶等铸造缺陷。根据相关研究表明，凝固收缩、机械加工、高温服役等都可能诱发定向柱晶和单晶涡轮叶片产生应力和应变，局部应变形成的高密度位错在高温下运动重组，在该区域呈现出应力集中现象；当超过临界应力时，就可能产生再结晶，即形成了与主应力垂直的横向晶界，导致叶片性能急剧下降。在热载冲击下，甚至会导致叶片的提前断裂，从而造成严重的航空事故。因此，针对涡轮叶片残余应力的研究具有重要意义。
[0003]单晶和定向柱晶涡轮叶片残余应力测试验证极为复杂和低效，仅通过测量获得叶片精铸件残余应力分布则更加困难和耗时，如何基于有限测点实现叶片精铸件整体残余应力的分布建模和预测极为必要。
[0004]目前针对涡轮叶片残余应力的研究主要是依托有限元仿真的方式进行。有限元仿真可以节省试验成本、优化试验工艺方法、预测试验结果趋势，一定程度上提高了试验的成功性。然而复杂的物理系统往往很难建立精确的数理模型，无法通过解析数理模型的方式对其进行状态评估和控制优化。比如现有技术中，预测涡轮叶片热障涂层应力、预测叶片磨削残余应力等方法。尽管上述方案都对涡轮叶片应力预测方法进行了阐述，但都是针对特定场景或者特定功能进行的有限元仿真。
[0005]根据上文背景介绍可知，针对涡轮叶片残余应力的研究具有重要意义。但是单晶和定向柱晶涡轮叶片的应力测量极其复杂和低效，通常测一个点需要4小时，因此只能获得有限测点的应力，而有限测点无法反映叶片整体的应力分布；目前针对涡轮叶片残余应力的研究主要是基于有限元仿真的方式，有限元仿真可以表征叶片的整体应力分布，但仿真结果往往与实测结果不够吻合，可通过改变边界条件、反算换热系数等方式重新仿真以求提高预测精度，但是重新仿真非常耗费时间，每次仿真至少耗时两天，而且稍有改动就需要重新跑仿真重复性工作大，耗费时间资源、计算资源。此外，复杂的物理系统很难建立精确的数理模型，因此有限元仿真的精度和可信度难以保证。
[0006]因此，有必要提供一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统及方法，以期解决上述问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题：
[0008]为了解决单晶和定向柱晶涡轮叶片应力实时测量复杂和低效、无法得到叶片的整体应力分布，而有限元仿真又难以保证仿真精度和可信度的技术问题，本专利技术提出了一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统及方法，利用有限元仿真数据、运行历史数据和传感器实时数据，对预测代理模型进行更新与优化，使其应力预测结果更加吻合叶片的实际状态，实现了应力实时高效、可视化测量，保证了测量精度和可信度。数字孪生技术通过预先训练好应力预测代理模型，加入少量实测数据的方式来在线修正代理模型，不用每次重新训练，减少大量重复性工作，节省时间资源、计算资源，而且预测精度优于有限元仿真。
[0009]一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统，包括客户端，用于实现涡轮叶片精铸过程中的传感器数据采集以及可视化渲染；服务端，用于实现对应力场有限元仿真数据进行训练，得到针对涡轮叶片精铸过程应力预测的代理模型；
[0010]客户端和服务端通过Socket通信实现数据连接与信息交互，共同构成涡轮叶片的数字孪生模型；利用客户端采集到的传感器数据对数字孪生体进行更新与优化，完成涡轮叶片精铸件应力预测。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述服务端从有限元软件后处理模块导出应力场数据，进行RBF插值，训练出应力预测的代理模型。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述客户端可视化渲染基于Unity3D搭建，将涡轮叶片的三维几何模型导出成STL格式，包含三角面片组成的三维实体，对每个三角面片的顶点用其XYZ坐标作为输入，使用服务端训练的代理模型预测其等效应力值作为输出，可视化渲染出应力场。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述应力场数据包括每个网格节点的XYZ坐标以及等效应力值。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述RBF插值算法针对每个网格节点，使用KNN算法找到其距离最近的N个相邻节点，N大于等于15，插值出该节点的应力值，进而实现所有节点的RBF插值。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：不同大小的应力值采用不同的颜色渲染出应力场。
[0016]一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测方法，其包括以下步骤：
[0017]步骤1、基于C/S架构搭建基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统，客户端实现涡轮叶片精铸过程中的传感器数据采集，服务端对应力场有限元仿真数据进行训练，得到针对涡轮叶片精铸过程应力预测的代理模型；
[0018]步骤2、客户端和服务端通过Socket通信实现数据连接与信息交互，并基于Unity3D实现可视化，将步骤1中训练好的代理模型封装至服务端，建立涡轮叶片精铸过程应力预测的数字孪生模型；
[0019]步骤3、基于步骤2中建立的涡轮叶片精铸过程应力预测的数字孪生模型，利用生产现场采集到的传感器数据对数字孪生模型进行更新与优化，达到预设条件后，完成涡轮叶片精铸件应力预测。
[0020]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤3中，数字孪生模型的函数表示过程为：
[0021]叶片的真实应力状态用函数y＝f(x)表示，定义域内的数据点{x
i
,y
i
}严格满足y
i
＝f(x
i
),i＝1,...,N，上述数据点称为“控制节点”或“插值节点”；
[0022]数字孪生模型由插值函数表示，其中，
[0023]引入径向基函数作为插值函数的基函数，其定义为：
[0024][0025]式中，σ表示变量的标准差；
[0026]则数字孪生模型可由RBF插值函数表示：
[0027][0028]式中，ω
i
是每个插值节点的系数或者权重；
[0029]将(1)代入(2)，得到：
[0030][0031]其中是插值矩阵，此插值矩阵是对称的；对于高斯基函数而言，插值矩阵的对角线元素的值为1；
[0032]将线性方程组记为ΦW＝Y，该方程组的第j行为：
[0033][0034]由此求出RBF插值函数的系数为W＝Φ
‑1Y，进一步求得数字孪生模型的函数表示。
[0035]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，包括如下方法步骤：
[0036]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统，其特征在于：包括客户端，用于实现涡轮叶片精铸过程中的传感器数据采集以及可视化渲染；服务端，用于实现对应力场有限元仿真数据进行训练，得到针对涡轮叶片精铸过程应力预测的代理模型；客户端和服务端通过Socket通信实现数据连接与信息交互，共同构成涡轮叶片的数字孪生模型；利用客户端采集到的传感器数据对数字孪生体进行更新与优化，完成涡轮叶片精铸件应力预测。2.根据权利要求1所述的应力预测系统，其特征在于：所述服务端从有限元软件后处理模块导出应力场数据，进行RBF插值，训练出应力预测的代理模型。3.根据权利要求1所述的应力预测系统，其特征在于：所述客户端可视化渲染基于Unity3D搭建，将涡轮叶片的三维几何模型导出成STL格式，包含三角面片组成的三维实体，对每个三角面片的顶点用其XYZ坐标作为输入，使用服务端训练的代理模型预测其等效应力值作为输出，可视化渲染出应力场。4.根据权利要求1所述的应力预测系统，其特征在于：所述应力场数据包括每个网格节点的XYZ坐标以及等效应力值。5.根据权利要求1所述的应力预测系统，其特征在于：所述RBF插值算法针对每个网格节点，使用KNN算法找到其距离最近的N个相邻节点，N大于等于15，插值出该节点的应力值，进而实现所有节点的RBF插值。6.根据权利要求1所述的应力预测系统，其特征在于：不同大小的应力值采用不同的颜色渲染出应力场。7.一种基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、基于C/S架构搭建基于数字孪生的涡轮叶片精铸件应力预测系统，客户端实现涡轮叶片精铸过程中的传感器数据采集，服务端对应力场有限元仿真数据进行训练，得到针对涡轮叶片精铸过程应力预测的代理模型；步骤2、客户端和服务端通过Socket通信实现数据连接与信息交互，并基于Unity3D实现可视化，将步骤1中训练好的代理模型封装至服务端，建立涡轮叶片精铸过程应力预测的数字孪生模型；步骤3、基于步骤2中建立的涡轮叶片精铸过程应力预测的数字孪生模型，利用生产现场采集到的传感器数据对数字孪生模型进行更新与优化，达到预设条件后，完成涡轮叶片精铸件应力预测。8.根据权利要求7所述的应力预测方法，其特征在于：所述步骤3中，数字孪生...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜昆，牟升，任胜杰，刘军，张海云，王硕，白博贤，李翔，张瑞媛，赵浩宇，李哲旭，王斌强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：