面向航空发动机叶片顶端修复的曲面再生算法与误差分析

【类型】学位论文

【作者】吴海东 

【关键词】 磨损叶片修复 曲面延拓 几何连续性 B样条曲线曲面 误差分析

【摘要】在航空发动机中,叶片是压缩机和涡轮机的核心组件,苛刻运行环境造成叶片严重磨损、扭曲、裂纹、凹坑等缺陷。由于叶片形状的微小改变会直接导致航空发动机的稳定运行,缺陷叶片的精密修复就成为航空发动机保障其高性能的关键因素。目前叶片修复工作主要集中在顶端磨损、崩口、叶面磨损等缺陷,其中叶片顶端磨损尤其是扭曲叶片的顶端磨损是急需解决的关键。本论文针对扭曲叶片顶端磨损缺陷的修复问题,开展精密修复过程中所需的叶片曲面模型重构研究,提出基于遗传算法的扭曲叶片非磨损域曲面重构和基于G2曲面连续的叶片顶端曲面再生等方法,为叶片修复过程中的精密加工路径的生成提供相应的曲面模型,解决各自叶片形体精密修复的参考模型构建难题,有利于促进资源的再利用和经济的可持续发展。本文的主要内容包括如下几个方面：1)较为全面地调研了航空发动机叶片修复的国内外研究现状和存在的难题。航空发动机叶片修复以叶片顶端磨损缺陷的修复居多,国外对于此类缺陷的直叶片修复已较为成熟,但对于扭曲叶片顶端磨损域的精密修复问题仍然未有很好的解决途径。由于叶片的制造误差和使用过程中易发生变形等原因,使叶片原设计阶段的曲面模型不再适用于修复阶段,精密重建和再生修复叶片的磨损域曲面模型,成为扭曲叶片修复加工成型的重要环节。2)针对叶片顶端磨损域边界附近的未磨损域曲面模型重构问题,提出基于迭代的扭曲叶片未磨损域曲面重构方法。该方法首先对截面测量数据进行对正处理,推导出闭合B样条曲线G2连续的表达式,以此构建迭代插值法计算其控制点,拟合出叶片截面轮廓线,并由此构建出基于B样条曲面的叶片未磨损域的曲面模型。重构曲面的拟合平均误差约为0.0325mm。为进一步提高曲面重构精度,本文提出基于遗传算法的扭曲叶片未磨损域曲面重构方法。该方法运用遗传算法进行数据点参数化和节点矢量的配置,用最小二乘逼近法计算其控制点,无需对测量数据进行精简或施加人为约束,拟合的平均误差仅为0.003451mm,拟合精度显著提高。3)基于叶片未磨损域的曲面重构模型,重点研究磨损叶片顶端的曲面模型再生问题,提出基于最小能量法的B样条曲面再生方法。该方法沿叶片叶高方向,通过B样条曲线延拓算法延拓出磨损域的对应控制点,构建基于最小能量法的节点矢量,进而再生出磨损域的B样条曲面模型,同时保证延拓曲面的光顺性。通过叶片延拓再生模型与原始叶片模型(保留了磨损域的模型)的截面线误差比较分析,发现延拓的曲面模型误差较大,且随叶片未磨损域的截面线上测量数据点的间距、延拓距离、叶片扭曲度的增加而增加,延拓精度需进一步提高。4)考虑到叶片延拓模型的曲面连续性要求及控制延拓误差的问题,提出基于G0曲面连续的B样条曲面延拓再生算法。该方法充分考虑到扭曲叶片曲面各横向截面轮廓线曲率变化较大的特点,确定相邻B样条曲面的G0、G1、G0连续的边界条件,推导出磨损曲面控制点的求解方法,使各系数分别由G1、G0连续性确定,并由一个形状参数a,进行调整。该方法能够保证延拓曲面的G0连续,可保证后续加工路径的生成,延拓曲面模型的误差明显减小。5)在上述算法研究基础上,开发出面向修复的扭曲叶片顶端磨损曲面模型重建原型系统。该系统运用Visual C++6.0开发平台和OpenGL三维图形技术来实现,具有叶片非修复域曲面模型重构、磨损域曲面再生、及曲面模型的IGES文件输出等功能,可为精密修复过程加工代码的生成提供所需的叶片顶端曲面模型。

【学位名称】博士

【学位授予单位】广东工业大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】高健

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