西北工业大学硕士学位论文模版范文

1、学校代码10699分类号v260.5密级学号201xx5题目 xxxxxxx作者 xx学科、专业 xxx程指导教师xx申请学位日期 二零一三年三月分类号：v260.5密级：学校代号:号:106992010200815血必7栄乂弟硕士学位论文（学位研究生）题目基于中弧面的模具型腔高质量重构方法研究作者xxx指导教师 xxxx专业技术职务教授学科（专业）航空宇航制造工程西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二零一三年三月中国西安research of turbine blade mould cavity，s highquality reconstruction based on mea

2、n surfacebyxxxxa thesis submitted to the graduate faculty of thenorthwestern polytechnical universityin partial fulfillment of the requirements for the degree ofmaster of engineeringinaeronautical and astronautical manufacturing engineering©zhou limin 2013supervisor: prof. bu kunschool of mecha

3、tronic engineeringnorthwestern polytechnical universitymarch, 2013xi，an, shaanxi, p. r. china摘要航空发动机涡轮叶片需要承受高温、高压等恶劣的工作环境，对其成型精度 和质量有严格的要求，是研制发动机的关键。目前，航空发动机涡轮叶片主要采 用逼近相结合的拟合方法，为叶片模具型腔的重构奠定基础。关键词：模具型腔，型腔重构，中弧线，中弧面abstractaero engine turbine blade works in bad working environment, and need to bear th

4、e high temperature, high pressure. so there is strict request for its forming precision and quality, also it is the key technology in development of engine. at present, the manufact old cavity.key words: mold cavity, mean line, cavity reconstruction, mean surface目录摘要iabstractii目录iii第一章绪论11.1引言11.2研究

5、背景及意义11.3存在的问题21.4国内外研究现状31.4.1精密铸造技术研究现状31.4.2叶片造型设计研究现状41.4.3曲线曲面造型技术研究现状51.4.4曲面曲线光顺重构技术研究现状61.5研究内容与章节安排错误!未定义书签。1.5.1课题来源错误!未定义书签。1.5.2研究内容错误!未定义书签。1.5.3章节安排错误!未定义书签。1.6本章小结8第二章网格模型数据预处理错误!未定义书签。2.1引言错误!未定义书签。2.2截面数据预处理错误!未定义书签。2.2.1截面数据获取错误!未定义书签。2.2.2坏点剔除错误!未定义书签。2.3截面线光顺拟合错误!未定义书签。2.3.1曲线拟合的

6、基本理论错误!未定义书签。2.3.2最小二乘b样条拟合错误!未定义书签。2.4本章小结错误!未定义书签。第三章截面特征参数的提取错误!未定义书签。3.1引言错误!未定义书签。3.2叶片截面特征参数的定义错误!未定义书签。3.3截面轮廓分离和特征参数提収错误!未定义书签。3.3.1截面伦廓分离错误!未定义书签。3.3.2厚度控制参数提取错误!未定义书签。3.4中弧线提取方法概述错误!未定义书签。3.4.1中弧线的定义错误!未定义书签。3.4.2中弧线求解方法错误!未定义书签。3.5中弧线提取和长度补偿错误!未定义书签。3.5.1中弧线的提取错误!未定义书签。3.5.2基于设计模型的中弧线补偿方法

7、错误!未定义书签。3.6本章小结错误!未定义书签。第四章基于屮弧面的型腔重构错误!未定义书签。4引言错误!未定义书签。4.2nurbs曲面的基础理论错误!未定义书签。4.2.1数学模型错误!未定义书签。4.2.2nurbs曲面的插值错误!未定义书签。4.2.3nurbs曲面的逼近错误!未定义书签。4.3中弧面光顺建模方法错误!未定义书签。4.3.1插值中弧面错误!未定义书签。4.3.2逼近中弧面错误!未定义书签。4.4型腔重构错误!未定义书签。4.4.1厚度模型建立错误!未定义书签。4.4.2型线的获得错误!未定义书签。4.4.3模具型腔复原错误!未定义书签。4.5本章小结错误!未定义书签。第

8、五章功能模块开发与实例验证错误!未定义书签。5引言错误!未定义书签。5.2软件功能模块开发错误!未定义书签。5.2.1vtk简介错误!未定义书签。5.2.2ug二次开发简介错误!未定义书签。523功能模块简介错误!未定义书签。5.3实例验证错误!未定义书签。5.4数值模拟验证错误!未定义书签。5.5本章小结错误!未定义书签。第六章总结与展望136论文工作总结136.2未来工作展望错误!未定义书签。参考文献14攻读硕士学位期间发表的论文及参与的课题17致谢18学位论文知识产权声明书20学位论文原创性声明20第一章绪论1.1引言涡轮叶片是航空发动机的关键部件，它具有内部冷却结构复杂、气动外形和 叶

9、片尺寸精度要求严格、工作条件苛刻的特点，它的作用是将高温、高压燃气热 能转变为旋转运动的机械能，要求尺寸小、效率高引，其设计和制造质量直接影 响发动机的整体性能，是发动机研制的关键。涡轮叶片的工作环境决定了其制备 材料大多采用许加工余量。目前国内精铸空心涡轮叶片普遍存在这成形精度较低, 质量不稳定的现象，空心涡轮叶片的研制成为新型高推重比发动机研制的“瓶颈", 其中模具设计是关键，近年来模具设计引起了众多的而关注，在模具反变形优化 设计过程中，模具型腔的重建质量是影响模具优化设计的关键一步。12研究背景及意义高性能航空发动机的研制涉及众多领域的前沿关键技术，其研制水平在一定 程度成为

10、衡量一个国家航空工业水平的显著标志冷叫目前我国尚未具备自主研发 和生产先进航空发动机的能力。尤其是空心涡轮叶片的研制水平，成为制约我国 新型号发动机研制的巨大障碍。20卅纪90年代，国外在飞机新型动力装置的设计中，为提高推重比，普遍采 用复合气膜冷却的单晶空心涡轮叶片。空心涡轮叶片是高推重比发动机的核心， 是透平机械的核心部件，也是易断裂失效零件。其性能水平，是一种型号发动机 先进程度的重要标志，复杂空心涡轮叶片的设计制造是目前国内公认的重大技术 难题切。发动机的内部结构如图11所示：图1-1涡轮发动机内部结构示意图据有关调查显示，国内一直没有解决发动机叶片的型面精度低、质量不稳、 废品率很高

11、的问题，一般的导向叶片合格率为5560%,动力叶片为2025%, 其中斯贝发动机的某空心叶片合格率最高仅为28%,最差时为0%国外主要发 动机公司均已经建立定向凝固和单晶涡轮叶片精铸生产线，其叶片单面余量已稳 定在0.050.1毫米mm),导向叶片达90%以上,动力叶片合格率可达70%以上, 据统计，采用国内的模具和陶芯时，涡轮叶片精铸成品率不到40%；而采用从国 外引进的模具和陶芯，成品率可达80%以上。由此可见，精铸模具的设计是影响 成品率的主要因素】。本文主要针对影响叶片成型质量的蜡模进行研究，面向目前国内研制的精铸 叶片成型精度偏低、质量不稳、废品率很高的现状，针对空心涡轮叶片铸件型面

12、 的“精确控形”问题及模具优化设计的型面高质量重构问题，基于反变形优化后的网 格模型进行模具型腔的高质量建模，为提高模具设计效率、减少修模次数、缩短 制造周期、降低制造成本提供保障。1.3存在的问题空心涡轮叶片熔模精密铸造的基本过程为：首先，通过内型模具压制陶瓷型 芯并烧结硬化；然后，使用外型模具进行陶芯与蜡模匹配压型，经过型壳制备等 后续工序，完成叶片铸造。通常情况下，影响空心涡轮叶片形状尺寸的因素有很 多，通过对涡轮叶片铸件的测量与分析，发现精铸叶片的变形趋势具有一致性2。 这说明在一定的工艺情况下，模具的设计制造技术成为影响涡轮叶片几何形状与 尺寸精度的主要因素。模具型腔的优化可以有效地

13、实现涡轮叶片的精确控形。实际生产中，由于精 铸模具具有结构复杂，设计周期长、制造难度大等特点，空心涡轮叶片精铸净成 型模具设计制造已成为制约我国航空发动机行业发展的“瓶颈”之一。近年來我国在 空心涡轮叶片数值模拟和模具优化设计方面都取得了一定的进展，西北工业大学 现代集成与制造教育部重点实验室在模具反变形优化方面取得了很大的进步，实 现了非线性收缩变形的位移补偿，但是由于各点变形量不一致性，反变形后的网 格模型表面质量较差，进行高质量的曲面重构难度很大，通过一定的曲面光顺技 术，可以得到光顺的模具型腔，但是会使模具丢失一些重要的特征信息，获得的 模具很难满足叶片气动性能要求，因此如何基于反变形

14、数据获得高质量的模具型 腔的实体模型是型腔优化设计中亟待解决的问题。本文主要针对反变形优化的后的网格模型重构难题，进行模具型腔的高质量 重构研究，解决反变形网格模型重构过程中气动性能差，重构质量低的问题，从 而为涡轮叶片精铸模具的虚拟修模与优化设计提供有效的技术支持。1.4国内外研究现状141精密铸造技术研究现状熔模铸造的一般过程是用蜡料制成蜡模，在蜡模上包覆若干层耐火涂料制成 型壳，熔出蜡模后经高温焙烧即可浇铸的铸造。经过熔模铸造制得的铸件不仅精 度高而且表面光洁，所以被广泛用于生产汽轮机、涡轮机的叶片或叶轮，切削刀 具以及飞机、汽车和机床上的小型零件。国外的熔模精密铸造技术发展比中国早，我

15、国熔模铸造技术在制模、制壳、 高温合金、定向凝固和检测技术等方而与国外均有很大的差距。上世纪70年代， 美、英、苏等发达国家率先研究成功了高温合金近净形熔模精密铸造技术，随着 后来的热等静压技术、高温合金过滤净化技术的发展使熔模铸件的冶金缺陷大大 减少，性能显著提高网。20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模 拟软件的出现，标志着熔模铸造过程数值模拟技术已完全成熟并进入实用化阶段， 有相当一部分已年代,经过近30年的发展才达到1988年的年产5万吨精铸件，年产值3.3亿 元人民币的水平。据分析统计2003年年产量达60万吨，为1988年年产量的12 倍。近年来，我国在熔模精密铸造在

16、制模，制壳技术上有了很大的发展。20世 纪70年代从英国成套引进斯贝mk202飞机发动机及其制造技术时获得了无余量 熔模精密制造技术，并应用于航空工业。由于航空航天企业的精密铸造受到国 家的重视，进行了较大的技术改造，引进了先进的设备，制壳工艺也由原来的硅 酸乙酯工艺转换为硅溶胶工艺，一些主要企业的精铸技术水平更加靠近国外先进 水平。我国高温合金近净形熔模精密铸造技术是在上世纪70年代末期80年代初 期形成的，早期的研究技术水平与国外同时期先进水平相当，但我国的复杂薄壁 空心叶片、大尺寸复杂薄壁结构件近净成形熔模精密铸造技术水平与发达国家相 比仍存在较大差距，主要是近净成形熔模精密铸造技术基础

17、理论、复杂薄壁结构 件在熔模精密整铸过程中变形规律、凝i古i结品过程控制等领域基础薄弱，加之早 期投入的力度不能保证建立有效的工艺装备条件，迄今的研究条件依然达不到国 外上世纪80年代末期的水平。在我国航空发动机精铸涡轮叶片设计制造过程中， 叶片的精度与质量问题一直是我国高性能航空发动机研制中的瓶颈，也是国外对 我国严密封锁的核心技术。目前国内在精铸叶片研制中，设计与分析集成技术、 计算机过程控制与仿真技术的应用方而尚属空白，尤其是模具设计制造质量低是 导致发动机涡轮叶片成品率低的主要原因。1.4.2叶片造型设计研究现状叶片实体一般由叶身实体(由叶身型面构成)、樺头和缘板等附加结构构成。 缘板

18、和樺头具有简单的结构，且种类固定，一般采取特征库的方式来完成建模和 设计。其中叶身部分是涡轮叶片的主要工作部分，叶身型面是由叶身截面按一定 规律积叠而成的自由曲而。同叶身截而造型有相似的要求，其型而的构造一方而 要满足光顺性要求，另一方而又要保证拟合后的型而的气动性能。目前叶身型而 的造型方法有很多，其中bezier、b样条方法和非均匀有理b样条方法(nurbs) 被广泛应用于叶身型面曲面造型中。文献18对叶身型面的光顺性问题作了研究。航空发动机涡轮叶片设计的一般流如图12所示：设计开舶图1-2叶片设计的一般流程为了获得高质量的叶片型面，截面设计是关键。叶身截面线又称叶片型线， 简称叶型。叶型

19、线和叶身曲面的几何表示是叶片结构设计的前提。由于叶型和叶 身曲面是一种较为复杂的自由曲线、曲面，不能用初等曲线、曲面来描述，因此 它们的造型方法一直是人们研究的热点。传统的叶身截面(叶型)设计是经气动计算 得出叶身截面离散气动数据点，结构设计人员再根据这些气动数据点拟合岀叶型。 在拟合过程中，既要考虑尽量满足涡轮叶片的气动性能，又要考虑叶身截而的光 顺性，这成为叶身截面造型技术中的难点。叶身曲面由多条叶型线作为基线积叠 而成，其成型方法为蒙皮。涡轮叶片几何造型实质就是找到一种既能有效地满 足形状和几何设计要求，又便于形状信息和产品数据交换的数学方法来描述涡轮 叶片曲面。由于前缘和后缘曲率急剧变

20、化，所以该地方易发生扭曲，这是叶身曲 而造型的难点门叭北京航空航天大学的王春侠等，讨论了叶身建模过程中的离散 点处理等关键问题，采用双3次b样条拟合了叶片型而的空间样条曲而模型。鉴 于nurbs方法的这一系列优点，哈尔滨工业大学的李刚和王刚旳等，分别研究 了叶身曲而基于nurbs的表示方法。西北工业大学的田庆基于ug开发了叶身造 型系统，重点研究了截而线的叶型曲线拼接问题。中弧线是叶型线设计的前提，在中弧线计算方面，四北工业大学的白璃等qi 提出基于内切等距的迭代中弧线算法，但当叶盆曲线和叶背曲线在内切圆切点处 的2个切矢之间夹角过小时，该方法可能无解，且计算量大。张力宁等对此进行 了改进，提

21、出了基于等距线的中弧线算法。但是，等距线方法通过有限点插值 而成型中弧线，型值点密度的可控性较差。文献回提岀了基于管道交线投影法的 中弧线算法，显著提高了中弧线的计算效率，并基于管道交线投影法计算的中弧 线，提出并实现了变壁厚涡轮叶片的结构设计。在叶片结构设计涉及的关键技术有特征分析、特征建模和特征参数化等。西 北工业大学的虞跨海基于解析以及特征造型进行叶片的参数化设计，实现了叶身、 缘板、樺头等特征的参数化设计。王荣桥等i绚则开发了压气机叶片的结构设计系 统，以用户自定义特征为基础，在叶片结构优化方面做了初步探索。近年来，由于反问题方法(inverse method)的发展，也出现了靠几种简

22、单解析曲 线的组合来构成叶型的解析成型方法，如简单圆弧法，多圆弧法和圆锥曲线法等。 这种造型方法以一种解析曲线作为基本曲线，并根据气动设计依据建立几何约束 条件。通过调节进出口几何角、安装角、最大厚度及前、后缘的圆半径等气动设 计参数，就能得到叶型。这种造型方法将叶片的成型与气动性能直接联系起来， 使人们获取具有预期可控气动性能叶型的愿望成为可能必。但是这样的几何造型 法日前还在发展中，设计工作量大，而且气动性能不易保证。将传统造型法和气 动造型法的相结合，采用止反问题方法是今后叶身截面造型的一个发展方向0。1.4.3曲线曲面造型技术研究现状曲线、曲面造型是cad/cam和计算机图形学中最活跃

23、、关键的技术分支之一。 曲而曲线造型技术在各个领域都有重要的应用，目前，cad/cam技术水平己经成 为衡量一个国家科技现代化水平的重要标志。cagd(computer aided geometric design,简称)是随着现代业的发展和计算 机的岀现而产生与发展起来的，它的产生和发展推动了cad/cam技术的发展和应 用，cagd与一个国家的发展水平和该国工业发展水平紧密相关。1963年，美国波 音飞机公司的ferguson,首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，并引入参 数三次曲线。自此，曲线曲而的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。1964 年，美国麻省理工学院的coons发表

24、一种具有一般性的曲而描述方法，给定围成封 闭曲线的四条边界就可以定义一块曲面，但这种方法存在形状控制与连接方面的 问题。1971年，法国雷诺汽车公司的bezier提岀一种由控制多边形设计曲线的新方 法。解决了整体形状控制问题，只要移动控制顶点就可方便地修改曲线的形状， 不足之处是，bezier方法仍存在连接问题和局部修改问题。1974年，美国通用汽车 (gm)公司的gordon和riesenfeld提出了 b样条曲线曲面，并将该理论应用于形状描 述。它继承了bezier方法的一切优点，克服了bezier法存在的缺点，成功地解决 了局部控制问题，并在在参数连续性基础上解决了连接问题，然而对于圆锥

25、截线 及初等解析曲而却不能精确地表示，而只能给出近似表示。在此背景下，人们提 出了有理b样条方法，此方法与描述自由型曲线曲面的b样条方法相统一又能精确 表示二次曲线与二次曲面，它采用分子分母分别是参数多项式与多项式函数的有 理分式表示，且经常以非均匀类型出现。后来由于pieg和tille等人的工作，终于使 非均匀有理b样条(nurbs)方法成为现代曲而造型中最为广泛流行的技术。 nurbs方法的出现不但解决了自由曲线曲面与初等解析曲线曲面描述的不相容问 题，并克服了bezier. b样条方法的不足，同时权因子和非均匀节点矢量使得能够 对曲线曲而的形状进行更加有效地控制，而且能够使得在一个系统中

26、严格地以一 种统一的数学模型定义产品几形状，使系统得以精简，易于数据管理，便于工程 人员使用，同时提高了曲而造型能力绚。1.4.4曲面曲线光顺重构技术研究现状在逆向工程中，当数据点过于密集或者曲而曲率变化比较大的时候，如果采 用整体拟合的方法，难以保证拟合精度而且容易产生畸形曲面片。所以现在多采 用数据分割技术将数据点分割为多个四边界区域，将复杂形状的自由曲而划分成 四边界区域后，就可以对各个四边界区域进行参数化和曲而的光滑拟合。ma通过 向基曲面投影的方法实现了散乱点的参数化。eckl29jfloaterl30j通过建立一个三维 三角网格向二维平而三角网格的映射，在二维平而上给出数据点的参数

27、值，再将 其映射回三维三角网格中，解决了空间三角网格的参数化问题。对多张曲面的光滑拟合，milroy的提岀了一种近似的全局g1连续的分片b样 条曲而拟合方法：该方法先构造一系列的三维b样条曲线作为分片曲而的边界，再 用较少的控制顶点构造边界go连续的初始b样条曲而，然后在边界处建立满足g1 连续的罚函数，最后用非线性最小二乘算法来调整局部控制顶点，得到g1连续的b 样条曲而。它的缺点是仅保证近似g1连续，而不是精确的g1连续，且非线性最小 二乘问题的计算量大，在实际应用中对计算环境有较高的要求。南航的张丽艳卩习以任意散乱测量点集为处理对象，建立曲面三角网格模型， 并在此基础上，对模型进行自动四

28、边界区域划分，进而实现分片连续的b样条曲而 拟合。刘胜兰列对三角网格模型提出了区域边界优化数据分割技术，使区域边界 基本与特征线相吻合，最后在相邻曲面片间增加跨界切矢和混合偏导矢相关约束 拟合后得到g1连续曲面。针对曲而重构的问题，华中理工大学的崔汉锋等珂提岀 将拓扑模型的提取和多个曲而光滑拟合相接合的多个曲而光滑重建算法。该算法 保证了相邻曲面间具有很高的几何连续性。关于曲线曲而的光顺性问题，1969年hosakalz1351在能量极值的基础上最早提岀 了用于空间三次参数样条曲线光顺和网格光顺的能量法。1977年，忻云龙提出了 网格基样条法，存在的缺点是检查与修改的结果不一致，光顺的过程耍反

29、复检查 修改，比较耗时。1983年，kjellander1361提出了一种三次参数样条曲线和双三次参 数样条曲而局部光顺的方法，同年，nowacki和reeser提出用薄板应变能量作为 曲面光顺的准则，此方法被公认为是一个比较合理的准则，但是构造此准则的算 法较困难。farinl38j提岀一种通过节点删除与插入对b样条曲线光顺的方法。1987 年，lot円等提岀了b样条曲面光顺的能量法。1992年，彭国华提岀了一种非参数 曲面光顺方法，给岀了计算曲面能量的一种简单方法，并构造出参数曲面的光顺 方法。2002年，蔡中义提出的有限元光顺法，为曲线曲而光顺的研究开辟了新的 途径。针对三角网格的光顺问

30、题，聂军洪i®将拉普拉斯算子法向分量用平均曲率算 子来代替，这种算法取得了较好的光顺性与特征保持性，但在原始模型的平坦处 却带来了新的扰动；尹旺中提出了一种新的基于三角片法矢调整的三角网格模 型光顺方法，kuwahara滤波方法有很好的特征保持特点以及拉普拉斯方法的快速 光顺能力，使模型既达到了理想的光顺效果，又保持了其特征，甚至能够调整不 理想特征。西北工业大学赵杰针对有限元分析产生的三角网格离散数据，对模 具型腔的曲面重构进行了研究，文中主要采用基于四边区域划分的曲面重构技术, 将离散点云数据划分为几个区域后分别进行曲而逼近，然后对逼近的曲而片进行 光顺拼接。但是对于反变形的网格

31、模型，存在着部分区域数据点偏差较大，变形强烈的 部分，采用传统的方法对曲而进行重构，即使釆用光顺方法可以使曲而达到比较 好的光顺性，但是很难满足叶片的气动性能要求。1.6本章小结本章主要介绍了论文的研究背景，讨论了涡轮叶片造型技术与曲面重构等关 键技术的国内外研究现状，分析了存在的问题，阐述了课题来源和论文的章节安 排及组织结构。图2-3求交法原理图如何高效求取线段plipri与平面f的交点是求交法的关键所在。首先需要搜 索p"的对应最近点戶刃，定义截平面f为xoy平面，并且取平面f的法矢为z 轴，建立局部坐标系，则在局部坐标系下h中散乱点pli=xli, yli, z/； pr中散

32、 乱点pri=xri, yri, zri,对h和/v在局部坐标系下分别沿x, 丫方向进行二维最 小包围盒分割，将h和丹中的散乱点压入二维栅格，以便于搜索对应点，文献43 对该求交法有深入的研究，最终可以求得交点h cxi, yi, zix满足下式 汇北二土玉，冷(2-1)兀-一冷九一儿 z + z刃由上式可求得线段plipri与平而f的交点在局部坐标系下的坐标。最终可求 得切平面数据：s = u pi(2-2)()</<w求交法在计算上要比投影法复杂，但前者在切片精度上要比后者高，尤其当切 片平面与点云数据描述的曲面法矢交角比较大时，投影法得到的切片数据具有较 大的误差。木文处理的

33、数据是三角网格模型，利用求交法有更多的优势，截面轮解的获得 按照以下的原则进行：当三角面片与截平面有两个交点的时候，则将该两点的连 线作为截面线的一部分，当三角面片与截平面的交点为一个时候，则不计此点， 当交点个数为零时，则计算三角面片顶点连线与截平面的交点，作为截线段上的 点，将截线段上的点首尾相连，获得截面线的轮廓，用于显示，将所有交点存取 *dat文件并输出，得到截面点数据如图24所示。图2-4求交法获得截面线腔重构带来很人困难,如何实现屮弧面的光顺性建模是亟待解决的问题。第六章总结与展望6.1论文工作总结参考文献1 . chapman c b, pinfold m. the appli

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