[發(fā)明專利]定向凝固葉片生產(chǎn)的自適應(yīng)變速抽拉仿真方法

有效

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• 申請日: 2011-11-03
• 公開（公告）號: CN102508965A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許慶彥;張航;唐寧;柳百成
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

1.定向凝固葉片生產(chǎn)用的自適應(yīng)變速抽拉仿真方法，其特征在于，依次含有以下步驟：

步驟(1)，構(gòu)建一個基于數(shù)值模擬方法的計算機-實驗裝置系統(tǒng)：

所述實驗裝置，包括：定向凝固爐及鎢/錸熱電偶，其中：

定向凝固爐，爐體簡化為用擋板隔離的位于上部的加熱區(qū)和位于下部的冷卻區(qū)，在所述的冷卻區(qū)的抽拉機構(gòu)由圓形結(jié)晶器和抽拉推桿連接組成，所述圓形結(jié)晶器上裝有澆注用的葉片型殼，在所述抽拉機構(gòu)作用下，所述葉片型殼穿過所述擋板上的孔，能夠在所述抽拉推桿作用下，在所述加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間做上下往復(fù)運動，在所述葉片型殼的空腔內(nèi)對應(yīng)葉片的引晶段、葉身、上部緣板、下部緣板以及榫頭處設(shè)定測溫點，至少5個點，所述擋板水平地連接在定向凝固爐內(nèi)爐壁兩側(cè)的中部位置，

鎢/錸熱電偶，在測定所述葉片型殼測溫點的溫度時，該鎢/錸熱電偶的輸出端向所述計算機輸入對應(yīng)測溫點的溫度，

所述計算機，預(yù)置有FT-Star軟件；

步驟(2)，依次按以下步驟進(jìn)行定向凝固葉片生產(chǎn)用的自適應(yīng)變速抽拉仿真過程：

步驟(2.1)，操作員向所述計算機輸入葉片生產(chǎn)所用材料的模擬用的基本參數(shù)，其中包括：熱傳導(dǎo)系數(shù)，輻射換熱系數(shù)，所用合金的物理參數(shù)：比熱、潛熱、密度和固/液相線溫度，定向凝固爐體參數(shù)：所述加熱區(qū)直徑和高度、所述冷卻區(qū)直徑和高度、擋板厚度和圓盤結(jié)晶器直徑，同時，輸入固定抽拉速度值3mm/min，

步驟(2.2)，操作員向所述計算機輸入所述葉片型殼的三維簡化模型，所述計算機用所述FT-Star軟件對該三維簡化模型用正六面體單元進(jìn)行三維離散化，

步驟(2.3)，操作員向所述計算機下達(dá)用所述FT-Star軟件對葉片凝固過程的溫度場進(jìn)行測試模擬的指令，并輸出步驟(1)所述至少5個測溫點的溫度值隨時間變化的數(shù)據(jù)，

步驟(2.4)，操作員以所述葉片型殼為樣片，以3mm/min為固定抽拉速度值，在相同于步驟(2.1)中的模擬用的基本參數(shù)條件下，在所述實驗裝置中進(jìn)行澆注實驗，實時測定各測溫點實際的溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，

步驟(2.5)，操作員把步驟(2.3)數(shù)值模擬得到在同一時刻條件下的所述各測溫點的數(shù)據(jù)與步驟(2.4)實測的所述各測溫點的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，在任意相同時刻，只要有一個測溫點的相對溫度誤差δ＞10％，便需要增加或減小上一次確定的熱傳導(dǎo)系數(shù)和輻射換熱系數(shù)值10％，并作為新的所述基本參數(shù)輸入到所述FT-Star軟件，直到在不同時刻下所有所述測溫點的相對溫度誤差都不大于10％為止，從而確定最終用于模擬計算的基本參數(shù)，所述相對溫度誤差是指：溫度模擬值與溫度實測值之差的絕對值與所述溫度實測值之比，

步驟(2.6)，按照以下步驟對所述定向凝固葉片生產(chǎn)用的自適應(yīng)變速抽拉過程進(jìn)行預(yù)測模擬：

步驟(2.6.0)，建立實際生產(chǎn)用葉片型殼的三維模型，并采用FT-Star軟件進(jìn)行三維離散化，

步驟(2.6.1)，確定抽拉速度曲線v(t)，v(t)表示t時刻的抽拉速度值：

步驟(2.6.1.1)，確定變速判據(jù)：所述變速判據(jù)用來決定何時對抽拉速度值進(jìn)行改變，其包括兩方面判據(jù)：減速判據(jù)和加速判據(jù)，定義葉片的離散單元C(i，j，k)的熱流方向與x，y，z軸的夾角分別為α_(i，j，k)，β_(i，j，k)，γ_(i，j，k)，其溫度梯度大小為G_(i，j，k)，i，j，k是對應(yīng)坐標(biāo)軸下的坐標(biāo)值，定義糊狀區(qū)為凝固過程中固相溫度線和液相溫度線之間的區(qū)域，1)減速判據(jù)，對糊狀區(qū)離散單元單元C｀(i，j，k)，γ｀_(i，j，k)＞α｀_(i，j，k)或者γ｀_(i，j，k)＞β｀_(i，j，k)，同時G｀_(i，j，k)＜2℃/mm，對于凝固過程的糊狀區(qū)，定義當(dāng)滿足上述條件的單元數(shù)n比糊狀區(qū)的總離散單元數(shù)m的值為λ，當(dāng)λ＞0.0509時滿足判據(jù)；2)加速判據(jù)，糊狀區(qū)所有單元γ｀_(i，j，k)＜0.785且G｀_(i，j，k)＞3℃/mm，為滿足加速判據(jù)。

步驟(2.6.1.2)，確定截面積S₀和最大抽拉速度V_max的函數(shù)關(guān)系，

步驟(2.6.1.2.1)，建立第一組5個不同截面的棒狀試樣模型，所有棒狀試樣模型長度300mm，作為第一組標(biāo)準(zhǔn)算例，記為標(biāo)準(zhǔn)模型系列1，S₀＝78.5，314.2，1256.6，1963.5，2827.4，單位：mm²，其中，S₀為截面積值系列，

步驟(2.6.1.2.2)，計算所述標(biāo)準(zhǔn)試樣的最大抽拉速度V_max：對所述的5個不同截面的棒狀試樣模型采用所述FT-Star軟件進(jìn)行三維離散化，并以所述確定的模擬用基本參數(shù)為輸入量，對所述的5個不同截面的棒狀試樣模型分別進(jìn)行模擬計算，并以步驟(2.6.1.1)所述的變速判據(jù)為依據(jù)，當(dāng)計算數(shù)據(jù)滿足所述變速判據(jù)時，對抽拉速度進(jìn)行改變，每次減小或增加的速度增量絕對值為1mm/min，不斷進(jìn)行判斷，直至確定的抽拉速度不滿足所述變速判據(jù)，且凝固完全結(jié)束，此時確定的抽拉速度值為所述最大抽拉速度值V_max，從而建立所述標(biāo)準(zhǔn)模型系列1的5個所述試樣模型對應(yīng)的截面積值系列S₀和最大抽拉速度V_max的關(guān)系對：[S_0(n)-V_max(n)]，n＝1，2，3，4，5，

步驟(2.6.1.2.3)，根據(jù)步驟(2.6.1.2.2)所述的關(guān)系對[S_0(n)-V_max(n)]，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以S₀為輸入層變量，以V_max為輸出層變量，根據(jù)所述關(guān)系對，對所述第一組標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，得到輸入量與輸出量之間內(nèi)聯(lián)關(guān)系，即

F(S₀)＝[V_max]

其中，F(xiàn)(S₀)表示根據(jù)第一組標(biāo)準(zhǔn)算例的5個棒狀試樣模型通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法確定的統(tǒng)一函數(shù)關(guān)系，

步驟(2.6.1.3)，確定突變截面[S₁∶S₂]和最大抽拉速度v_max以及變速時間提前量Δt之間的函數(shù)關(guān)系：

步驟(2.6.1.3.1)，建立第二組5個截面突變的棒狀試樣模型，作為第二組標(biāo)準(zhǔn)算例，記為標(biāo)準(zhǔn)模型系列2，[S₁∶S₂]＝314.2∶706.9，314.2∶1256.6，314.2∶1963.5，706.9∶1963.5，1256.6∶2827.4，單位：mm²∶mm²，所有棒狀試樣模型的長度為300mm，截面開始突變位置z＝150mm，其中，

S₁為截面變化前的截面積值，其z方向坐標(biāo)為z₁，

S₂為截面變化后的截面積值，其z方向坐標(biāo)為z₂，

且滿足，z₁＜z＜z₂，(z₂-z₁)/z＜5％，

步驟(2.6.1.3.2)，對應(yīng)于所述第二組標(biāo)準(zhǔn)算例中的每一個棒狀試樣模型，確定最大抽拉速度隨時間變化曲線，辦法如下：

步驟(2.6.1.3.2.1)，采用步驟(2.6.1.2.3)所述的最大速度公式F(S₀)＝[V_max]，當(dāng)截面積變化時，抽拉速度根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系，相應(yīng)變化，

步驟(2.6.1.3.2.2)，確定最大抽拉速度與時間關(guān)系，根據(jù)截面開始突變位置z＝150mm，確定變速點時間為t₁＝z/v₁，t₂＝z/v₂，其中

v₁為截面突變前面積為S₁所對應(yīng)的最大抽拉速度值，

v₂為截面突變后面積為S₂所對應(yīng)的最大抽拉速度值，從而確定的抽拉速度曲線為，以v₁速度抽拉，持續(xù)時間為t₁，再改變速度值，開始以v₂速度進(jìn)行抽拉，持續(xù)時間為t₂，

步驟(2.6.1.3.3)，根據(jù)計算模擬，修正第二組標(biāo)準(zhǔn)算例的最大抽拉速度隨時間變化關(guān)系：以步驟(2.6.1.3.2.2)所確定的最大抽拉速度隨時間變化曲線為輸入，采用所述FT-Star軟件進(jìn)行模擬計算，并結(jié)合所述變速判據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足變速判據(jù)時，并不改變速度值，而是減小變速點時間t₁的大小，每次減小量為0.5min，并再次計算，直至凝固結(jié)束，累加所有時間減小值，記為Δt，最終確定第二組標(biāo)準(zhǔn)算例中每個模型所對應(yīng)的關(guān)系對：[S_1(n)∶S_2(n)-v_1(n)∶v_2(n)∶Δt_(n)]，n＝1，2，3，4，5，

步驟(2.6.1.3.4)，根據(jù)步驟(2.6.1.3.3)所述的關(guān)系對，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以S₁，S₂為輸入層變量，以v₁，v₂，Δt為輸出層變量，對所述第二標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，得到輸入量與輸出量之間內(nèi)聯(lián)關(guān)系，即

F(S₁，S₂)＝[v₁，v₂，Δt]

其中，F(xiàn)(S₁，S₂)表示根據(jù)第二組標(biāo)準(zhǔn)算例的5個棒狀試樣模型通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法確定的統(tǒng)一函數(shù)關(guān)系，

步驟(2.6.1.4)，根據(jù)所述實際葉片型殼的三維模型，分析不同截面的截面積值，并根據(jù)步驟(2.6.1.3.4)確定的截面積、速度、時間函數(shù)關(guān)系，計算所需要的抽拉速度隨時間變化曲線，

步驟(2.6.2)，優(yōu)化凝固抽拉速度曲線v(t)：以步驟(2.5)所確定的模擬用基本參數(shù)為輸入，以步驟(2.6.0)所建立的三維離散化模型為輸入，以步驟(2.6.1)所建立的抽拉速度隨時間變化曲線為輸入，采用FT-Star軟件進(jìn)行模擬計算，并采用變速判據(jù)進(jìn)行變速判斷，當(dāng)滿足判據(jù)時變速方法如下：

對抽拉速度進(jìn)行自動優(yōu)化，調(diào)整其速度改變量和速度改變時間點，變速規(guī)則用來確定每次變速的速度改變量，變速規(guī)則分為兩部分，減速規(guī)則和增速規(guī)則：

A減速規(guī)則：

當(dāng)滿足減速判據(jù)時，減速量Δv_m＝(1-L_m)v_m，L_m＝(λ-0.0509)/0.0509

減速時間位置：程序回退時間量Δt＝t_prt-t_bf，

其中，

λ，當(dāng)滿足減速判據(jù)的步驟(2.6.1.1)所述糊狀區(qū)的單元數(shù)n與所述糊狀區(qū)的總單元數(shù)m的比值t_prt，當(dāng)前凝固時刻，

t_bf，當(dāng)前糊狀區(qū)處于固相線的單元的溫度值從開始澆注溫度降至液相線溫度時所對應(yīng)的時刻，滿足t_bf＜t_prt，

v_m為t_bf時刻對應(yīng)的速度值，

L_m，速度減小調(diào)整系數(shù)，

B增速規(guī)則：當(dāng)滿足加速判據(jù)時，

增速量Δv_p＝(1+L_p)v_p，L_p＝(0.785-γ｀_(i，j，k))/0.785，

增速時間位置：當(dāng)前時刻增速，

其中，

γ｀_(i，j，k)，在步驟(2.6.1.1)中定義，

v_p，為當(dāng)前時刻速度，

L_p，速度增大調(diào)整系數(shù)，

步驟(2.6.3)，當(dāng)根據(jù)變速判據(jù)對計算結(jié)果驗證通過，滿足全葉片凝固結(jié)束時，根據(jù)速度對時間繪制曲線，得到v(t)凝固抽拉速度曲線。