一种考虑榫头-榫槽连接的叶片尺寸链建模方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑榫头

【技术实现步骤摘要】
一种考虑榫头
‑
榫槽连接的叶片尺寸链建模方法


[0001]本专利技术涉及航空部件装配偏差分析
，具体是一种考虑榫头
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榫槽连接的叶片尺寸链建模方法。

技术介绍

[0002]航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，被誉为工业领域“皇冠上的明珠”。航空发动机的运行效率依赖于结构设计、材料性能及制造质量等多方面因素。其中，制造质量与零部件几何误差呈现极大相关性，对发动机的整体动平衡性能、运行安全均有较大影响。随着燃气涡轮发动机的发展，对其部件效率、寿命和安全性要求也越来越高，装配质量对发动机的性能和结构安全性的影响很大。
[0003]作为航空发动机中常见的关键部件，叶片
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轮盘装配体的制造和装配质量直接影响到整机服役性能。叶
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盘结构由于几何结构复杂，加工制造过程繁多，涉及铣削、拉销、抛光、热处理等制造工艺。叶
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盘结构零部件在制造与装配过程中，由于制造误差、测量误差以及安装误差造成叶
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盘结构几何参数具有随机性特点。叶片与轮盘的几何、形状和位置会在相应的空间域内产生波动，导致叶
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盘结构空间姿态具有不确定性。榫头/榫槽、叶冠、凸肩等非连续连接界面的空间位置、几何形貌、接触紧度、载荷方向和接触面积也会产生变化，同时叶尖空间位置变化也会直接影响到叶
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盘结构动力学响应。例如涡轮叶尖间隙过小，叶片前缘与机匣衬套之间会产生严重摩擦。而间隙过大，则会增加燃油消耗率。
>[0004]振动排故实践表明，目前造成航空发动机及燃气轮机转子叶片严重振动问题主要是由于动力学特征参数的变化区间难以控制。其原因是加工误差分布、装配工艺引起的容差组合以及工作状态下结构特征参数变化的概率分布尚无法确定，导致叶
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盘结构装配连接界面的形变具有随机性。叶
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盘结构装配体的制造装配偏差在三维空间的传递路径和累积形式尚不明确。因此，航空发动机涡轮叶
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盘结构尺寸链分析和偏差预测对于提高发动机性能、延长发动机使用寿命、减少尾气排放具有重要作用。
[0005]目前转子
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叶片零件的公差设计多以经验为主，需要反复的试凑以达到要求，而公差分析仍以传统的一/二维尺寸链为主。实际生产装配过程中，零件是三维的，因此用一/二维尺寸链无法完全反映出尺寸公差、形状公差以及装配特征之间的耦合，从而导致分析结果不准确，无法为性能标定和公差优化分配提供准确的依据。对于叶
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盘结构装配体中可能涉及的较复杂的三维形状与位置公差，传统方法已无法较精准地体现实际装配尺寸链的传递与累积。
[0006]因此，有必要研究面向叶
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盘结构连接结构非连续界面的复杂形位公差表达。根据叶片、叶盘几何要素的制造装配精度和结构榫连接匹配关系，建立包含串并联尺寸链的叶
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盘非连续连接结构三维偏差预测模型。为叶片的制造优化、公差分配以及叶片性能调控提供指导依据。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种考虑榫头
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榫槽连接的叶片尺寸链建模方法，以解决上述背景中提到的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种考虑榫头
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榫槽连接的叶片尺寸链建模方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一：根据叶片与轮盘装配时的匹配关系以及实际制造过程中的公差要求，建立叶片尺寸链模型所需的关键几何要素的公差类型以及公差值；
[0011]步骤二：基于小位移旋量理论表征各个关键几何要素的公差，并建立轮盘
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叶片各个关键几何要素偏差的旋量模型；
[0012]步骤三：考虑叶片
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轮盘的榫连接结构中榫头与榫槽匹配面众多，属于典型的复杂局部多并联尺寸链；将榫头与榫槽的匹配连接形式作为一个接触副的等效旋量模型；
[0013]步骤四：基于叶片
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轮盘各个关键几何要素与叶尖之间的空间位置关系，以及尺寸链中各个功能单元的旋量模型，利用雅克比
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旋量理论建立叶片
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轮盘结构的装配偏差分析模型；基于该模型，表征叶片在考虑与轮盘榫连接下的初始装配偏差以及空间姿态预测。
[0014]在上述技术方案的基础上，本专利技术还提供以下可选技术方案：
[0015]在一种可选方案中：所述叶片尺寸链模型所需的关键几何要素包括叶片榫头位置各个匹配面的轮廓度、轮盘榫槽位置各个匹配面的轮廓度和叶尖相对于叶根的位置度。
[0016]在一种可选方案中：所述步骤三中的具体步骤如下：
[0017]步骤1：叶片
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轮盘装配体结构中榫头与榫槽匹配面形位偏差用小位移旋量表征，即实际偏差面相对于名义表面有x/y/z三个方向上的平动偏差和沿x/y/z方向的三个转动偏差；
[0018]步骤2：在各个匹配面中心建立局部坐标系，在各自坐标系内根据匹配面转动和平动偏差，建立各个榫连接匹配面的偏差平面方程；
[0019]步骤3：计算叶根榫头与轮盘榫槽各个匹配面接触点之间相对于名义值在安装方向的间隙量和过盈量；
[0020]步骤4：将榫头与榫槽各个含偏差的匹配面中所相对应的过盈量进行排序。考虑到实际装配中，匹配面相对于名义位置过盈量最大的地方最先接触，所以在装配过程中起到实际限位作用的是过盈量较大的匹配面接触点。由于至少三个接触点才能确定一个定位平面。本专利技术将过盈量最大的前三个点所形成的平面作为榫头与榫槽装配的等效定位平面；
[0021]步骤5：根据局部坐标系和全局坐标系之间的位置关系，建立坐标系转换矩阵，利用步骤4中所确定的榫连接结构中等效定位面三个定位点，基于坐标转换矩阵，将该等效定位面的定位点转变为全局坐标系下的点；
[0022]步骤6：在全局坐标系下，分别建立榫头与榫槽的等效定位面名义平面方程和含偏差后的平面方程；
[0023]步骤7：将步骤6中得到的定位面含偏差的平面方程与名义平面方程比较，得到偏差平面相对于名义等位面的角度偏差和位置偏差，进而得到榫头榫槽连接等效等位面的旋量模型。
[0024]在一种可选方案中：步骤3中计算过盈量中的点为过盈点，并将过盈点作为装配时的实际接触点。
[0025]在一种可选方案中：利用雅克比
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旋量理论所建立的叶片
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轮盘结构的装配偏差分析模型中采用如下定义：装配体中各个零件或零件之间的几何特征要素为功能单元；内部功能单元位于单体零件内部的几何特征要素，它们之间存在彼此约束关系，两两构成一个内部约束对，简称内部副；接触功能单元，位于不同零件连接特征上的几何要素，它们之间存在直接或间接的接触关系，两两构成一个外部约束对，简称接触副；功能要求，即封闭环的尺寸精度要求，是最终装配完成后的目标测量量和控制量。
[0026]在一种可选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑榫头
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榫槽连接的叶片尺寸链建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据叶片与轮盘装配时的匹配关系以及实际制造过程中的公差要求，建立叶片尺寸链模型所需的关键几何要素的公差类型以及公差值；步骤二：基于小位移旋量理论表征各个关键几何要素的公差，并建立轮盘
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叶片各个关键几何要素偏差的旋量模型；步骤三：考虑叶片
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轮盘的榫连接结构中榫头与榫槽匹配面众多，属于典型的复杂局部多并联尺寸链；将榫头与榫槽的匹配连接形式作为一个接触副的等效旋量模型；步骤四：基于叶片
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轮盘各个关键几何要素与叶尖之间的空间位置关系，以及尺寸链中各个功能单元的旋量模型，利用雅克比
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旋量理论建立叶片
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轮盘结构的装配偏差分析模型；基于该模型，表征叶片在考虑与轮盘榫连接下的初始装配偏差以及空间姿态预测。2.根据权利要求1所述的考虑榫头
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榫槽连接的叶片尺寸链建模方法，其特征在于，所述叶片尺寸链模型所需的关键几何要素包括叶片榫头位置各个匹配面的轮廓度、轮盘榫槽位置各个匹配面的轮廓度和叶尖相对于叶根的位置度。3.根据权利要求1所述的考虑榫头
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榫槽连接的叶片尺寸链建模方法，其特征在于，所述步骤三中的具体步骤如下：步骤1：叶片
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轮盘装配体结构中榫头与榫槽匹配面形位偏差用小位移旋量表征，即实际偏差面相对于名义表面有x/y/z三个方向上的平动偏差和沿x/y/z方向的三个转动偏差；步骤2：在各个匹配面中心建立局部坐标系，在各自坐标系内根据匹配面转动和平动偏差，建立各个榫连接匹配面的偏差平面方程；步骤3：计算叶根榫头与轮盘榫槽各个匹配面接触点之间相对于名义值在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志敏，袁巍，刘涛，吴玉萍，康贺贺，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：