[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

说明书

本发明公开了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，用于解决现有辅助支撑布局方法实用性差的技术问题。技术方案是首先在叶身型面上增加若干杆状辅助支撑，通过APDL程序建立叶片加工过程的有限元仿真模型。其次考虑切削力与弹性变形的耦合效应，通过迭代运算，求解出每个节点处的弹性变形量。然后在遗传算法中生成若干初始支撑位置布局，由APDL程序迭代计算出每种布局下的叶片最大弹性变形。最后由遗传算法对初始布局进行优化，得到在给定支撑数目下最优的布局方案。在该杆状辅助支撑布局下，叶身型面上的最大弹性变形受到有效抑制，叶片的加工精度大幅提高，实用性好。

技术领域

本发明涉及一种辅助支撑布局优化方法，特别涉及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。

背景技术

叶片是航空发动机的核心零部件之一，叶身型面的加工精度直接影响着发动机的气动性能。由于为满足新型航空发动机更高的性能要求，叶片呈现出扭转、薄壁等新特点，这极大地减弱了叶片的加工刚度，使得叶片加工过程中极易发生让刀，也就是弹性变形，严重影响着叶片的加工精度。因此，为了最大程度地控制叶片在加工过程中的弹性变形，提高其加工精度，施加辅助支撑并优化其布局就十分有必要。

文献“申请公布号是CN103128566A的中国发明专利”公开了一种防止薄壁空间曲面零件切削变形的辅助加工装置。该装置由前后端夹头，辅助支撑组件，辅助支撑样板组成。该专利在叶片的盆面加工过程中，通过在背面增加若干与叶片横截面轮廓一致的样板对叶片进行辅助支撑；反之，在加工叶片背面的过程中，则在盆面增加样板支撑。通过这种方法叶片的加工刚性得到加强，进而达到提高叶片加工精度的目的。但这种方法仅适合于在三轴机床上对叶片进行单面加工时进行辅助支撑，并不适合型面更加复杂需要五轴机床螺旋铣削加工的叶片。而且采用样板进行辅助支撑，通用性很差，一种样板只能支撑一种特定的叶片。最重要的是该专利并没有提及样板支撑在什么位置对叶片弹性变形的控制效果最好，也就是说没有对辅助支撑的位置进行优化。

发明内容

为了克服现有辅助支撑布局方法实用性差的不足，本发明提供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。该方法首先在叶身型面上增加若干杆状辅助支撑，通过APDL程序建立叶片加工过程的有限元仿真模型。其次考虑切削力与弹性变形的耦合效应，通过迭代运算，求解出每个节点处的弹性变形量。然后在遗传算法中生成若干初始支撑位置布局，由APDL程序迭代计算出每种布局下的叶片最大弹性变形。最后由遗传算法对初始布局进行优化，得到在给定支撑数目下最优的布局方案。在该杆状辅助支撑布局下，叶身型面上的最大弹性变形受到有效抑制，叶片的加工精度大幅提高，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：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，其特点是包括以下步骤：

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。