三维复杂曲面电解加工极间流场特性及数值模拟研究

摘要

随着现代制造业的发展，复杂结构、特殊材料的零件不断涌现，电解加工已成为难切削导体材料、复杂型面零件的主要加工方法之一。电解加工无明显的工具损耗、加工效率和表面质量相对较高。由于目前复杂曲面类零件电解加工的成形规律还没有被完全掌握，电解加工精度的提高仍受到一定的限制。
　　在电解加工中，极间间隙的流场分布情况是影响电解加工精度与质量的重要因素之一。电场与流场相互影响，同时又伴随着电化学变化。极间间隙是一个复杂的耦合场，研究复杂曲面电解加工的极间流场特性及分布规律，有助于完善电解加工成形规律理论，提高电解加工的加工精度和表面质量。
　　本文以某压气机叶片叶身曲面和缘板整体成形为研究对象，建立了具有大曲率变化的“L”型复杂曲面的间隙模型，采用分块、分层的分析思想，将整体流场模型划分成M块、N层，对“L”型流场的特性和分布规律进行研究。在每个分析单元内，根据流体力学理论建立了描述电解液流速、压力、温度等参数变化的动力学方程组；根据电化学理论，将影响流场特性的主要参数代入电导率计算模型中解析。将单元分析结果组合，利用MATLAB绘制出“L”型流场的电导率分布图。在复杂结构极间间隙中，电导率值随空间位置的不同而变化，这在一定程度上更加符合实际的分布情况。
　　借助流体分析软件 Fluent对“L”型间隙中电解液的流速、压力等分布情况进行模拟，仿真结果发现流场参数在曲率突变的区域较其它区域发生了明显的变化。本文根据流体力学动量定理，从“挤压”和“碰撞”的角度对流场大拐角处速度和压力变化的机理进行了探索性分析。
　　为了降低流场出现“死水区”的可能性，本文在传统流场结构的基础上，提出直线过渡型流场和圆弧过渡型流场模型。对比各种形式下速度、压力的分布，并对流场结构进行优化设计。提出采用“分流通道”的方式，避免复杂流场中出现“负压区”。
　　最后，利用Workbench的优化分析功能建立电解液入口速度、入口压力、背压与平均速度、平均压力、最小压力之间的映射关系，并绘制相应的敏感度关系曲线。以电解液的平均速度、最小压力为目标参数，使用响应面设计的方法获得最佳流场输入参数值。
　　本文进行的三维复杂曲面电解加工极间流场特性与数值模拟研究，是对复杂曲面类零件电解加工流场特性与分布特征所进行的探索性研究，为进一步完善电解加工成形规律理论奠定了一定的基础。

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符号说明

1 绪论

1.1 电解加工简介

1.2 电解加工的特点

1.3 电解加工技术的研究现状和发展方向

1.4 电解加工流场特性的相关研究

1.5 课题研究的目的及意义

1.6 论文的主要研究内容及创新点

2 复杂曲面电解加工流场的建模与特性分析

2.1 电解加工的基础理论

2.2 建立流场参数分布的理论模型

2.3 流场物理模型

2.4 流场模型分块、分层系统的二次开发

2.5 流场物理模型的解析

2.6 大拐角对流场电导率的影响

2.7 电导率к的实验验证

2.8 本章小结

3 三维复杂曲面流场的数值模拟

3.1 流场参数初始值确定

3.2 流场模型的数值模拟

3.3 本章小结

4 复杂流场的结构优化

4.1 传统流场的模型分析

4.2 流场结构的改进思路

4.3 不同结构流场特性的对比

4.4 改进后的流场结构分析

4.5 本章小结

5复杂流场内电解液参数的数值优化

5.1 电解液参数设定

5.2 Design of Experiment设计的计算结果

5.3 Response Surface设计的计算结果

5.4 响应曲面优化

5.5 本章小结

总结与展望

工作总结

工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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