[发明专利]一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法

说明书

技术领域

本发明涉及蜡模充型技术领域，尤指一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法。

背景技术

目前空心涡轮叶片通常采用熔模精密铸造的成型方法制备。该制备方法通常在模具内放置陶瓷型芯以制备空心蜡模，并经过制壳、脱蜡、浇注以及去壳脱芯等步骤，形成具有内腔型面的空心叶片。空心涡轮叶片内、外型面之间的壁厚是保证其强度以及冷却效率的重要指标，也是保证其服役寿命的重要参数。相关学者对不同型号的涡轮叶片失效原因的研究表明，“壁厚”是导致叶片失效的最主要原因之一。因此，确保涡轮叶片壁厚合格成为我国航空发动机技术亟待解决的问题之一。

研究发现，精密铸造蜡模的壁厚精度对铸件最终的壁厚精度有着直接而主要的影响，因此，制备壁厚精度合格的蜡模是制备壁厚合格叶片的首要条件。精铸蜡模壁厚主要通过蜡模成型过程中陶芯与模具之间精确独一的位置匹配关系进行保证，通常在模具中设计定位元件和夹紧元件以约束陶芯在蜡料流动过程中的空间位置姿态。

针对陶芯夹紧元件的位置布局，工程实践中通常采用与定位元件对称分布的方式。由于国内陶芯制备尺寸偏差大，若夹紧元件与陶芯采用接触的方式以约束陶芯位置，合模时可能导致陶芯被压碎或无法合模。工程中在批量化压制蜡模时，通常人工手动下调夹紧元件直至与陶芯接触，然后再回退一定的距离，一般为陶芯制造的上公差限，以避免符合制造公差的陶芯被压碎，即夹紧元件与陶芯型面之间有一定的间隙。而正是由于该间隙的存在，使得陶芯在蜡料填充型腔时受蜡料流动影响在狭小的空间内易产生运动漂移，从而引起蜡模壁厚偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法，实现陶芯夹紧元件的优化布局。

本发明提供的技术方案如下：一种涡轮叶片精铸蜡型陶芯夹紧元件的布局方法，陶芯被夹紧元件以及定位元件约束，以维持所述陶芯在蜡模充型过程中的位置。

S10，对蜡模充型过程进行流动仿真分析；

S20，从所述流动仿真分析结果中提取所述蜡模充型过程中的蜡料与所述陶芯接触面处的有限元节点ID及其坐标，通过注塑成型仿真计算所述蜡模充型过程中蜡料作用在所述陶芯上的蜡料流动作用力及蜡料流动力矩的动态变化情况；

S30，将所述陶芯、所述定位元件、所述夹紧元件均视为刚体，采用弹簧阻尼模型计算所述陶芯与所述定位元件之间的第一接触碰撞力以及所述陶芯与所述夹紧元件之间的第二接触碰撞力；然后通过运动仿真计算所述陶芯在重力、所述第一接触碰撞力、所述第二接触碰撞力、蜡料流动作用力及力矩作用下的动态漂移位移场；

S40，在所述陶芯的叶尖和叶根截面处选取若干个监测点，在所述步骤S30建立的动态漂移位移场获得若干个所述监测点的位置矢量，每个所述监测点的位移量为所述蜡模充型过程前后的所述位置矢量之差，每个所述监测点的位移量之和为所述陶芯的运动漂移指示量，通过遗传算法寻找所述运动漂移指示量最小时对应的所述夹紧元件布局。

通过流动仿真分析、注塑成型仿真计算受力，运动仿真获得动态漂移位移场，最终基于动态漂移位移场通过应用遗传算法确定所述运动漂移指示量最小时所述夹紧元件的位置，这一系列连续步骤，实现了夹紧元件布局位置的优选，有效控制蜡模充型过程中陶芯的漂移，使得精铸叶片蜡型的壁厚偏差得到有效的把控。

优选的，所述步骤S40中，通过所述遗传算法寻找所述运动漂移指示量最小时对应的所述夹紧元件布局的方法为：按顺序执行赌轮盘选择算法、自适应的交叉算法以及自适应的变异算法；同时并行精英策略进行优化。如此可以提高遗传算法的搜索效率。

优选的，还包括步骤S01，即结合工艺要求规划所述夹紧元件的候选布局位置。

具体的，所述步骤S30的所述运动仿真计算过程以及所述步骤S40通过UG motion实现。所述步骤S10中使用Moldflow有限元分析软件进行流动仿真分析。

所述步骤S20包括以下分步骤：

S21，从Moldflow有限元分析软件获得的流动仿真分析结果中提取所述蜡模充型过程中使用的蜡料与所述陶芯的接触面处的有限元节点ID及其坐标，其中提取的有限元为三角形单元，设定三角形单元的个数为k个,将第i个三角形单元表示为三角形单元i，i＝1、2、3、4……k；

S22，针对所述蜡模充型过程中的某一时刻，提取所述三角形单元i上节点的坐标及压力值(pi¹，pi²，pi³)；