半开式叶轮铣削加工变形及参数优化研究

摘要

叶轮是一类被广泛应用于石油化工、航空航天、冶金和核电等工业领域的造型比较规范的通道类复杂零件。叶轮造型设计、加工精度的高低将会影响着这类工业产品的使用性能。因此，研究叶轮的造型设计和加工精度是很有必要的。
　　本文以半开式叶轮为研究对象，采用曲线曲面造型方法、正交试验方法、有限元法、铣削试验以及遗传算法等方法，对叶轮几何模型建立、叶轮铣削加工中铣削力模型建立、叶轮叶片铣削加工弹性变形预测以及叶轮切削参数优化等问题进行研究。具体工作内容如下:
　　(1)阐述NUPBS参数化建模的理论知识，推导出NURBS曲线的矩阵形式，为反算NURBS曲线的控制顶点奠定基础，简化了计算的复杂程度，为应用Matlab软件编程提供了便利条件。
　　(2)对给定的叶片的轴盘、盖盘曲线上的型值点进行插值计算，根据曲线曲率梳检查得到的轴盘、盖盘曲线是否光滑;再根据叶片的厚度向轴盘、盖盘曲线法矢量方向偏置，从而完成对叶片的几何建模。
　　(3)在国内外学者对各种材料铣削力预测模型的研究基础上，结合本次试验的特定条件，确定了铝合金7050-T7451在铣削加工中心DMU50上的铣削力公式。基于四因素、四水平正交方法结合铣削试验分析了铣削因素对Fx、Fy、Fz的影响，利用最小二乘法推导出铣削力公式的系数，从而确定了铝合金7050-T7451的铣削力公式。最后，通过铣削加工试验说明了本文建立的铣削力公式是可靠的，为研究叶轮叶片的铣削加工变形奠定基础。
　　(4)基于第三章建立的铣削力公式，运用有限元分析软件ANSYS，采用多载荷步的方式分析了叶片在铣削加工中的变形，详细研究了叶片在加工过程中的变形规律，为叶片铣削加工弹性变形误差的补偿提供了一定的参考数据。
　　(5)针对半开式叶轮加工效率低、加工成本高等问题，本文构造出以生产效率、生产成本为目标函数的叶轮铣削加工参数的多目标优化数学模型。最后在该数学模型的求解过程中应用遗传算法，以得到最优铣削加工参数。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 参数曲线曲面造型技术

1．2．2 铣削力建模及预测

1．2．3 薄壁件铣削弹性变形

1．2．4 切削参数优化

1．2．5 存在的问题

1．3 本文研究的主要内容

1．4 本章小结

第2章 NURBS曲线理论基础

2．2．1 NURBS曲线定义

2．2．2 NURBS曲线的性质

2．3 NURBS曲线矩阵表达形式

2．4 NURBS曲线的拟合

2．4．1 计算NURBS曲线的节点矢量

2．4．2 NURBS曲线的边界条件

2．4．3 反算NURBS曲线的控制顶点

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 半开式叶轮几何结构

3．3 叶片模型的建立

3．3．1 轴盘和盖盘NURBS曲线

3．3．2 叶片中性面曲面

3．3．3 轴盘和盖盘曲线法矢量

3．4 轮毂曲面的建立

3．5 整体式叶轮几何模型

3．6 本章小结

第4章 铣削力预测模型建立及试验验证

4．1 引言

4．2 铣削力预测模型

4．3 正交试验

4．3．1 正交试验方法

4．3．2 铣削力正交试验设计

4．4 铣削试验及数据处理

4．4．1 铣削试验

4．4．2 试验数据处理

4．4．3 试验结果分析

4．5 铣削力预测模型的建立

4．6 本章小结

第5章 叶片加工弹性变形有限元分析

5．1 引言

5．2 有限元法基本原理

5．2．1 有限元法基本思想

5．2．2 有限元计算步骤

5．3 基于ANSYS的叶片铣削加工变形分析

5．4 叶片加工变形分析

5．5 本章小结

第6章 基于遗传算法的叶片加工参数优化

6．1 引言

6．2 遗传算法

6．2．1 遗传算法基本原理

6．2．2 遗传算法的特点

6．3 铣削参数优化模型

6．3．1 优化设计变量

6．3．2 优化目标函数

6．3．3 优化的约束条件

6．3．4 最优化数学模型

6．4 铣削参数优化结果

6．4．1 优化数学模型相关参数

6．4．2 遗传算法的MATLAB实现

6．5 本章小结

第7章 结论和展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢