[發明專利]定向凝固葉片生產的自適應變速抽拉仿真方法

有效

• 申請號: 201110343695.X
• 申請日: 2011-11-03
• 公開（公告）號: CN102508965A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 許慶彥;張航;唐寧;柳百成
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術領域

本發明涉及一種定向凝固葉片生產的自適應變速抽拉的方法，特別涉及一種采用數值模擬技術制定定向凝固葉片變速抽拉工藝的速度曲線的方法。

背景技術

定向凝固葉片(也成定向葉片)在航空和民用領域都有重要應用，常被用來作為飛機發動機的導向葉片、渦輪葉片或者民用燃氣機的葉片。定向葉片的制造技術也備受各國材料加工方向專家所重視。目前，僅從速度工藝角度來分，定向凝固葉片生產分為定速工藝和變速工藝兩種，以下是當前兩種工藝的特點對比：

從以上兩種拉速工藝對比結果可以得出：

1.定速抽拉工藝已經發展成熟，能穩定用于定向葉片生產，并且也將數值模擬技術成功應用于工業生產中；但是，定速抽拉工藝存在生產率低、成本高、部分復雜形狀(如大突變截面)零件難加工等固有缺點，而無法長期發展，并且已經逐步退出應用，最終會被變速抽拉工藝所完全替代；

2.變速工藝在尚屬發展階段，并且逐步用于生產實際，該工藝靈活設計抽拉速度工藝，提高了生產效率和產品合格率，適應低碳環保的科學工藝要求。我國已經能夠自行生產定向凝固葉片，但是與美國的P&W公司、GE公司、英國羅羅公司的葉片高合格率相比還有一定差距。目前，變速工藝曲線的確定主要面臨如下困難：工藝確定需要大量的調試，變速時間和大小確定缺乏充足的理論根據，盡管已經引入數值模擬技術進行優化分析，但是變速時間和深度仍然依靠經驗提前確定，數值模擬技術優勢并未完全發揮。目前生產上廣泛采用單級變速工藝，關于多級變速的研究和實踐尚未見到報道。

提出一種可行的方法，能夠合理、快速的給出一套抽拉速度隨時間變化曲線v(t)，再次提高生產效率，大幅降低工藝調試周期和成本，是定向凝固工藝生產葉片發展的必由之路。

發明內容

本發明的目的在于提出一種定向凝固葉片生產的自適應抽拉速度方法，該方法利用數值模擬技術，以工業合格標準為指導，對定向凝固葉片生產工藝的抽拉速度進行優化，給出抽拉速度隨時間變化曲線v(t)，降低工藝調試周期，降低成本，合理提高生產效率，解決了生產定向凝固葉片確定多級變化的抽拉速度的問題。

本發明的思路：本發明所述的定向凝固葉片生產自適應變速抽拉方法首先實現對葉片凝固過程的測試模擬，測試模擬結合實驗測溫結果，修正并確定適合當前爐體設備的模擬用基本參數；隨后進入預測模擬階段，目的為通過模擬計算輸出適合實際定向凝固生產葉片的抽拉速度隨時間變化曲線v(t)，在預測模擬過程中，采用神經網絡算法根據葉片截面變化情況初步確定抽拉速度隨時間變化曲線，隨后進行抽拉速度優化，抽拉速度優化計算根據變速判據和變速規則完成，最終輸出一套符合實際葉片生產要求的抽拉速度隨時間變化曲線v(t)，其中變速判據以單元的熱流方向為考察標準，變速規則分為減速規則和增速規則，其根據PID控制原理對抽拉速度進行優化。

本發明的特征在于，依次含有以下步驟：

步驟(1)，構建一個基于數值模擬方法的計算機-實驗裝置系統：

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和位于下部的冷卻區，在所述的冷卻區的抽拉機構由圓形結晶器和抽拉推桿連接組成，所述圓形結晶器上裝有澆注用的葉片型殼，在所述抽拉機構作用下，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，在所述加熱區和冷卻區之間做上下往復運動，在所述葉片型殼的空腔內對應葉片的引晶段、葉身、上部緣板、下部緣板以及榫頭處設定測溫點，至少5個點，所述擋板水平地連接在定向凝固爐內爐壁兩側的中部位置，

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測溫點的溫度，

所述計算機，預置有FT-Star軟件；

步驟(2)，依次按以下步驟進行定向凝固葉片生產用的自適應變速抽拉仿真過程：

步驟(2.1)，操作員向所述計算機輸入葉片生產所用材料的模擬用的基本參數，其中包括：熱傳導系數，輻射換熱系數，所用合金的物理參數：比熱、潛熱、密度和固/液相線溫度，定向凝固爐體參數：所述加熱區直徑和高度、所述冷卻區直徑和高度、擋板厚度和圓盤結晶器直徑，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行三維離散化，