[发明专利]面向叶片加工弹性变形控制的辅助支撑布局优化方法

权利要求书

1.一种面向叶片加工弹性变形控制的辅助支撑布局优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、叶片有限元模型的前处理；

将叶片有限元模型导入Hypermesh软件中，定义材料参数，划分网格单元，单元类型选取C3D8六面体；然后在Hypermesh中按切削刀轨创建一系列的节点组集，最后提取所有节点的编号和绝对坐标值；并将这些数据导入Excel中，然后通过Matlab将这些数据以txt文本的形式保存，便于后续于Ansys软件之间的数据交换；

步骤二、获取节点的曲面法矢和参数化坐标；

通过C语言编程和UG的二次开发工具UG/OPEN API，调用UG的内部函数，提取叶片型面上所有节点的曲面法向矢量和参数化uv坐标；

步骤三、确定切削载荷的大小；

根据TC4钛合金的铣削力经验公式计算每个节点的切削力，然后将切削力向节点法矢方向投影，获得每个节点的法向切削力；

其中，F_x为工件所受x方向分力，F_y为工件所受的y方向的分力，F_z为工件所受z向即沿刀具轴向的分力，a_p为切削深度，a_w为切削宽度，v_c为切削速度，f为每齿进给量；

计算得到每个节点的切削力均为：

F_x＝323.16N,F_y＝10.09N,F_z＝88.06N (4)

将法向切削力作为切削载荷施加在有限元模型上：

F_nor＝(F_x,F_y,F_z)·n(i,j,k) (5)

式中，F_nor为某一节点法矢方向的切削分力，即法向切削力；n(i,j,k)为某一节点处的曲面法矢；

步骤四、确定切削载荷的施加方向和顺序；

将每个节点坐标系先绕着z轴旋转θ角，再绕x轴旋转β角，使每个节点坐标系的y轴与各自的节点法矢方向重合，θ和β角的大小通过下面的公式确定；

β＝arcsink (6)

θ＝arctan(i/j) (7)

其中，i，j，k分别为旋转前每个节点法矢n＝(i,j,k)在x，y，z三个坐标轴方向上的分量；然后将法向切削力沿着旋转后每个节点坐标系y轴的反方向依次施加在每个节点上；

然后将步骤一中获取的节点信息按照切削方向即x方向进行排序，以便于按照切削顺序依次施加切削载荷；以上节点信息的排序，节点坐标系的旋转以及切削载荷的顺序施加通过Ansys特有的APDL参数化语言进行编程实现；

步骤五、进行叶片加工弹性变形量的耦合迭代预测；

节点迭代过渡位置的实际切削深度的计算公式为

式中，为经过n次迭代后的切削深度，是理论切削深度，δ_n是第n次迭代时的弹性变形量，n_max为最大迭代次数；

由于切削深度发生变化，切削力随之更新，更新后的切削力计算公式为

将更新后的切削力向节点法矢方向投影得到法向切削力为

将更新后的法向切削力作为切削载荷继续施加在叶片的有限元模型上，再次求解每个节点的弹性变形量；当前后两次弹性变形量的变化率小于预先设置的收敛精度e，便停止迭代，得到最终的弹性变形量，若大于收敛精度e，便一直循环，收敛公式为

步骤六、遗传算法联合有限元进行辅助支撑布局优化；

基于步骤五中耦合迭代预测得到的叶身型面的弹性变形量，进行辅助支撑的布局优化，使得叶身型面的最大弹性变形量最小；

选择支撑点的等参数uv坐标作为支撑布局方案的设计变量，其表达形式为：

x_q＝[(u₁,v₁),(u₂,v₂),....,(u_h,v_h)] (14)

式中，x_q表示第q种辅助支撑布局，h表示辅助支撑的数量；

优化目标函数和约束条件为：

其中，为第q种辅助支撑布局下叶片的最大弹性变形值；F_nq为第q种支撑布局下支撑杆与叶片之间的法向支反力；μ_q为第q种支撑布局下支撑杆与叶身型面之间的摩擦系数；F_xq,F_yq为第q种支撑布局中支撑杆与叶身之间的切向力；Δ_y(x_q)为第q种支撑布局下辅助支撑与叶片接触区域变形；x_q∈S表示辅助支撑杆的位置应当定位在叶身型面上。