[發(fā)明專(zhuān)利]用于葉片表面強(qiáng)化的超聲滾壓變幅桿智能設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011101699.2
• 申請(qǐng)日: 2020-10-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112052542B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉爽;程峰;張顯程;李志強(qiáng);韓曉寧;龔從揚(yáng);張開(kāi)明;劉怡心;張成成;涂善東
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華東理工大學(xué);中國(guó)航空制造技術(shù)研究院;中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/20
• 代理公司: 上海智信專(zhuān)利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪;熊俊杰

本發(fā)明涉及用于葉片表面強(qiáng)化的超聲滾壓變幅桿智能設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，方法包括以下步驟：S1：確定變幅桿的目標(biāo)性能參數(shù)、材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，并隨機(jī)生成初始變幅桿；S2：對(duì)所述初始變幅桿建立有限元模型；S3：對(duì)所述有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，并提取模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的結(jié)果；S4：根據(jù)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的結(jié)果對(duì)初始變幅桿進(jìn)行優(yōu)化求解。本發(fā)明的用于葉片表面強(qiáng)化的超聲滾壓變幅桿智能設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，根據(jù)目標(biāo)性能參數(shù)、材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)隨機(jī)生成一組初始變幅桿，并對(duì)其進(jìn)行有限元建模和分析，采用優(yōu)化算法對(duì)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化迭代，得出在約束條件下的最優(yōu)解，計(jì)算方便，誤差小。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料表面超聲滾壓強(qiáng)化領(lǐng)域，更具體地涉及用于葉片表面強(qiáng)化的超聲滾壓變幅桿智能設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

表面超聲滾壓是一種把超聲振動(dòng)與靜載滾壓結(jié)合起來(lái)的新型表面強(qiáng)化技術(shù)。其通過(guò)高能高速高頻振動(dòng)，在材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形，引入有益殘余壓應(yīng)力，從而強(qiáng)化被加工表面。對(duì)葉片等進(jìn)行表面超聲滾壓加工，可大大提升其使用壽命，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。傳統(tǒng)超聲滾壓技術(shù)多應(yīng)用于薄壁件、細(xì)長(zhǎng)桿件等零件，近年來(lái)也應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面等復(fù)雜場(chǎng)景。超聲加工裝置的主要部件有變幅桿、換能器和超聲發(fā)生器等。

變幅桿是超聲滾壓加工頭中的關(guān)鍵部件。超聲變幅桿的主要作用，一是可以放大機(jī)械振動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)位移或速度，在超聲加工中起到聚能器的作用。換能器的超聲能量經(jīng)由變幅桿，在較小的面積上聚集，并傳遞給工具頭。二是超聲變幅桿在換能器和聲負(fù)載之間進(jìn)行阻抗匹配，使換能器的超聲能量高效地傳輸至負(fù)載，起到了機(jī)械阻抗變換器的作用。

為了應(yīng)對(duì)多樣化的加工需求，變幅桿的設(shè)計(jì)非常重要。傳統(tǒng)的解析法設(shè)計(jì)變幅桿，利用波動(dòng)方程和邊界條件求解出各性能參數(shù)的解析表達(dá)。其它的方法還有如等效電路法、替代法和傳輸矩陣法等。這些方法計(jì)算量大、設(shè)計(jì)精度不高，而運(yùn)用有限元方法可以行之有效地解決這些問(wèn)題。運(yùn)用有限元分析軟件，可以直觀得對(duì)超聲變幅桿進(jìn)行模態(tài)分析和參數(shù)求解。但仍有如下缺點(diǎn)：(1)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在變幅桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，參數(shù)的求解結(jié)果可能不符合設(shè)計(jì)要求。為得出符合要求的變幅桿，設(shè)計(jì)工作者對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，往往要進(jìn)行大量的建模和有限元分析。(2)存在性能參數(shù)誤差。人工建模和有限元分析得出的變幅桿，性能參數(shù)和設(shè)計(jì)要求往往存在一定的誤差，這是由于人工設(shè)計(jì)變幅桿結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，嘗試的次數(shù)有限，而沒(méi)能獲得更優(yōu)的變幅桿結(jié)構(gòu)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于葉片表面強(qiáng)化的超聲滾壓變幅桿智能設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中有限元分析設(shè)計(jì)變幅桿費(fèi)時(shí)費(fèi)力和存在性能參數(shù)誤差的問(wèn)題。

本發(fā)明一方面提供一種用于葉片表面強(qiáng)化的超聲滾壓變幅桿智能設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

S1：確定變幅桿的目標(biāo)性能參數(shù)、材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，并隨機(jī)生成初始變幅桿；

S2：對(duì)所述初始變幅桿建立有限元模型；

S3：對(duì)所述有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，并提取模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的結(jié)果；

S4：根據(jù)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析的結(jié)果對(duì)初始變幅桿進(jìn)行優(yōu)化求解。

進(jìn)一步地，所述目標(biāo)性能參數(shù)包括諧振頻率和放大系數(shù)，所述材料參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比和超聲波波速，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括變幅桿的大端半徑、小端半徑、長(zhǎng)度、形狀種類(lèi)和約束條件。

進(jìn)一步地，步驟S2包括：

S21：生成初始變幅桿軸截面母線形狀的參數(shù)方程；

S22：選取初始變幅桿軸截面母線的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，將所述關(guān)鍵點(diǎn)依次相連，形成軸截面；

S23：將所述軸截面繞軸線旋轉(zhuǎn)拉伸360°形成三維模型；

S24：確定所述三維模型的單元類(lèi)型和單元尺寸，對(duì)所述三維模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。