离心叶轮叶片侧铣路径优化及其内部流场模拟

论文摘要

整体叶轮叶片的工作表面是复杂的空间自由曲面,以具备良好的流动性能为目标进行设计。侧铣加工以其独有的加工特色,正日渐广泛的应用在离心叶轮叶片曲面加工领域。通过深入调研,分析离心叶轮设计制造过程中存在的各种问题,发现整体叶轮叶片多为扭曲直纹面,侧铣路径规划没有统一规则,加工误差的控制方式不完善,加工工艺对流体曲面的设计应用产生了限制。随着流体造型技术的提高,提高此类具备流动特性自由曲面加工水平变得日益紧迫。本文关注于叶轮直纹面类叶片曲面流体设计制造的相关技术,设计并实现了基于包络面的圆锥铣刀精加工侧铣刀具轨迹整体优化算法。首先,分析了叶轮曲面流体动力设计流程,给出了离心叶片数控加工工艺的总体架构。然后,依据Bedi给出的基于切触点侧铣刀具轨迹计算方法,进行了刀位点和刀具轴向矢量计算。采用运动学的方法计算运动轨迹上刀具与待加工曲面相互作用每一位置的离散切触点,及其构成的刀具包络曲面。在误差的计算方面,综合考虑了刀具插补切削过程中的总体误差,针对直纹面的特点给出了详细的包络面误差计算方法。通过把具有较小误差刀具轨迹规划归结为网络规划最短路径问题,以刀具采样插值过程中刀具包络面与设计曲面之间误差最小为优化目标进行求解。本文从减小包络面误差的角度建立了针对圆锥铣刀侧铣刀具轨迹优化计算模型,获得了侧铣刀具轨迹生成的完整算法。实例验证以及误差计算仿真表明本文算法的有效性。本文的包络优化算法可获得运动刀具的离散包络面。最后,针对此类特殊具有流动光顺性曲面的流体设计造型技术,建立了基于包络面误差控制的流体曲面设计流程,把包含了加工工艺信息的刀具运动包络曲面作为叶轮叶片曲面进行流动特性的分析。该方法可减小叶片表面加工误差对叶轮内部流场的影响,实现具有流动特性曲面设计制造过程的统一。通过路径规划和对叶片设计曲面和刀具轨迹包络曲面离心叶轮内部流场数值模拟,证明本文提出的基于包络面的叶片曲面设计制造方法具有良好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状和研究目的
• 1.3 论文架构及全文介绍
• 1.4 本章小结
• 2 叶片流体设计和侧铣数控加工
• 2.1 叶轮机械工作原理和几何结构
• 2.2 叶片曲面流体动力学设计
• 2.3 离心叶轮侧铣数控加工分析
• 2.4 本章小结
• 3 侧铣轨迹规划建模与算法研究
• 3.1 曲线曲面NURBS 造型理论
• 3.2 现有CAM 系统侧铣路径规划方法
• 3.3 侧铣刀具路径建模及相关算法
• 3.4 侧铣误差评估方法及比较
• 3.5 刀具路径的网络图优化模型
• 3.6 本章小结
• 4 侧铣路径整体优化算法及其实现
• 4.1 曲面离散和刀轴曲面包络面计算
• 4.2 侧铣路径优化问题详细描述
• 4.3 侧铣路径整体优化算法实现
• 4.4 产品设计制造数据交换标准
• 4.5 本章小结
• 5 实例验证与CFD 仿真
• 5.1 刀具轨迹规划实例验证
• 5.2 考虑加工误差的流曲面设计方法
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录 1 Krain 叶轮叶片离散数据
• 附录 2 主要方程组的求解
• 附录 3 刀位点数据和包络面数据