基于焊接过程分析的叶片自动焊接修复轨迹规划

摘要

叶片是航空发动机最为核心的零件，被誉为“心脏中的心脏”。叶片通常工作在高温高压的恶劣环境下，使用一段时间之后，可能会出现不同程度的缺陷和损伤，如裂纹、磨损、腐蚀和蠕变缩孔等。在发动机维修手册中，推荐对有修复价值的叶片利用高能束焊接对其进行堆焊修复，但对焊接修复后叶片的强度、尺寸精度、抗疲劳等性能要求十分苛刻。因此，需要可靠的自动焊接装备用于叶片的维修。由于叶片复杂的曲面形状，需要自动焊接装备能够直接对叶片的参数化曲线曲面进行插补。目前，叶片的参数化曲线曲面表示常用非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline，简称NURBS)进行表示。NURBS具有设计灵活、算法稳定等优点，在众多参数曲线中脱颖而出，它使得有关曲线曲面的设计、分析与计算达到了很高的水平，大大加速了其在机械加工领域的应用。NURBS这一先进技术已成为研究的热点与难点。
　　论文提出的利用叶片的焊接过程分析对焊接速度进行优化的方法，可以获得较好的焊接速度，减小焊接残余应力和焊接变形，同时作为焊接路径规划的一个依据。提出的结合弓高误差和泰勒公式的NURBS曲线插补技术，可以直接表达复杂的叶片焊接路径曲线，并对路径进行自动插补，提高叶片焊接的精度，也可以提高CNC系统的轨迹表达能力和插补能力。
　　主要工作：对叶片进行三维建模和相关处理，之后对处理的叶片模型进行焊接过程仿真，分析温度场和应力场的结果，结合叶片材料的Goodman曲线，优化焊接参数，获得最优的焊接速度；通过NURBS曲线数学模型，并根据实验数据和优化的焊接速度，建立复杂的叶片焊接路径曲线；利用焊接速度和泰勒展开法对曲线参数进行密化，得到参数增量，通过参数增量逐步实现对焊接路径的曲线插补过程，最终获得路径曲线上每个点与参数或时间的一一对应关系，完成轨迹规划。通过Simufact-welding对叶片进行三维焊接仿真模拟，最后利用Matlab模拟曲线插补过程，分析插补精度和参数增量的关系，对比泰勒展开法和利用弓高误差修正的泰勒展开法的实验结果，验证利用弓高误差修正的泰勒展开法具有较高的轨迹特征，并最终获得轨迹规划曲线。

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第一章 绪论

1.1 课题来源、研究背景及意义

1.2 航空发动机叶片的特性

1.3 叶片焊接修复现状

1.4 轨迹规划技术研究现状

1.5 论文的主要研究内容

第二章 NURBS曲线数学模型

2.1 引言

2.2 NURBS曲线原理

2.3 NURBS曲线节点矢量

2.4 本章小结

第三章 基于焊接过程分析的速度优化

3.1 引言

3.2 焊接过程有限元分析理论

3.3 焊接温度场理论基础

3.4应力场理论基础

3.5 焊接残余应力和焊接变形的产生及其危害

3.6 叶片的焊接过程分析及焊接参数优化

3.7 本章小结

第四章 基于NURBS的叶片焊接路径规划

4.1 引言

4.2 反求NURBS曲线方程

4.3 焊接路径的NURBS曲线表示

4.4 本章小结

第五章 基于目标速度约束的叶片焊接轨迹规划

5.1 引言

5.2 NURBS实时插补算法

5.3 焊接路径的曲线插补及误差计算

5.4 基于误差的速度自适应算法

5.5 基于目标速度约束的轨迹规划

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录A

攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果

致谢