基于MasterCAM V9的曲面文字雕刻加工

MasterCAM是当今广泛使用的CAD/CAM软件。合理地利用CAD/CAM软件可以大幅提高机械设计和加工的工作质量和效率。本文以圆柱面模腔的曲面文字雕刻加工为例,就如何运用MasterCAM进行曲面文字雕刻加工进行了初步探讨。     

数据驱动的曲面构件形状-拓扑协同优化方法

针对紧凑设计空间下曲面构件极致轻量化需求,提出一种数据驱动的曲面构件形状-拓扑协同优化方法,主要包括离线、在线和更新3个阶段。离线阶段中,首先通过拉丁超立方采样方法在设计空间内采样,并利用网格变形技术进行参数化建模,获得样本点对应的网格模型。然后对上述网格模型分别进行拓扑优化,获得优化后的应变能。基于上述步骤获得的样本数据,训练径向基函数代理模型,其中形状设计变量为输入,拓扑优化获得的应变能为输出。在线阶段中,将基于离线阶段获得的代理模型开展优化设计,采用协方差矩阵自适应进化策略来提高优化效率。更新阶段中,计算代理模型优化结果的真实响应,并将其加入样本数据集进行代理模型更新。最后,通过简支梁和航天器舱门算例开展算法验证。结果表明相比针对固定形状获得的拓扑优化结果,提出方法优化获得的应变能结果分别降低了20.08%和37.93%,表明提出方法具有更优的设计能力。     

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

三维曲面激波反问题的参考平面解法

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,从降维的三维特征线方法出发,推导出适用于参考平面法的特征方程和相容方程,并提出曲面激波反问题的求解方法。该设计方法可以把三维流场切为多个横截平面。在参考平面内,通过局部迭代求解准二维的特征方程和相容方程;在垂直于参考平面方向,通过引入整体迭代法来确定解面上的交叉导数,使结果达到二阶精度。采用泰勒-麦科尔流动和斜激波关系式验证了该设计方法的精度,其中压力的相对误差分别为1.3×10~(-3),6.1×10~(-5)。为了进一步验证设计方法的可靠性,设计了在3°来流攻角情况下,产生圆锥激波的三维型面,并采用商用软件Fluent验证所设计的三维构型。对比结果表明:所设计的流场与CFD数值模拟结果符合得较好,且流场参数最大误差不超过2%。     

2219铝合金搅拌摩擦焊缝装配质量的响应曲面法建模及分析

焊缝间隙、焊缝错缝量以及搅拌针与焊缝中心的对中情况(简称焊缝对中)等三项条件作为焊缝装配质量的构成要素,对铝合金搅拌摩擦焊焊缝接头的性能有较为明显的影响。针对航天焊接结构件中常用的2219铝合金,为了能综合反映焊缝装配质量对搅拌摩擦焊缝接头性能的综合影响,利用响应面法建立了焊缝装配质量三要素与焊缝接头强度及延伸率之间的数学模型,分析了焊缝间隙、焊缝错缝量及焊缝对中对焊缝接头性能的影响情况。通过实验发现,焊缝间隙依然是影响焊缝接头性能的关键因素,而焊缝错缝量及焊缝对中会使焊缝接头性能表现出非对称性。该方法为焊缝装配质量的量化描述提供了数学模型,并且利用响应面法所获得的数学模型,可以为制定合理的焊缝装配条件提供指导依据,避免了传统针对单个装配要素进行研究的弊端,并且具有良好的工程应用前景。     

基于辅助面的Gn连续过渡曲面的构造方法

 详细分析了采用线性组合方法构造Gⁿ连续过渡曲面时,基曲面以及重新参数化局部基曲面、调配因子和平衡因子等对过渡曲面的影响。提出基于辅助面的Gⁿ连续过渡曲面的构造方法,即设计人员可根据设计要求和设计预期,以过渡切触线为边界来构造一张辅助面,该曲面在形状上和过渡曲面很贴近,然后在两基曲面的过渡切触线附近构造较小区域的重新参数化局部基曲面,由辅助面和一张重新参数化局部基曲面线性组合构造一张中间过渡面,再由中间过渡面和另一张重新参数化局部基曲面线性组合构造Gⁿ连续过渡面,同时,选择较大值的平衡因子和调配因子λ₁,以及较小的调配因子λ₂,这样,所构造的过渡曲面和基曲面间Gⁿ连续,且形状上和辅助面非常贴近,从而达到弱化基曲面或重新参数化局部基曲面对过渡曲面的影响,以及强化设计人员设计意图的目的。     

基于CATIA三维数模的复合材料复杂曲面展开

采用高斯曲率评估曲面的可展程度,基于复合材料构件的CATIA三维数模,提取三维数模中的铺层信息,生成曲面展开所需要的单层曲面,在CATIA复合材料模块下对铺层曲面进行产品性能分析,确定曲面的不可展性,通过CATIA的"分析与仿真"功能中的高级网格划分模块对单层曲面进行有限元分析,计算出三角网格曲面模型上各点的离散高斯曲率,根据离散高斯曲面曲率最大值所在点,生成将曲面分开的剪口路径,最终将曲面进行展开.     

基于经线划分的非圆截面环形刀具刀位优化算法

目前环形刀具的刀位算法均未考虑圆刀片安装时存在的俯仰角和偏转角,因而在理论上存在较大的编程误差。针对实际使用刀具为非圆截面环形刀具的情况,通过对环形刀具的截面曲线进行分析,提出了一种基于经线划分的非圆截面环形刀具刀位优化算法。首先利用经线法求解出刀具表面和工件曲面之间的误差分布,然后根据此误差分布来调整刀具位置和姿态,使刀具表面与设计曲面在不发生干涉的情况下实现密切接触,从而得到刀具在指定定位点处的最优刀位。仿真结果表明,传统的五坐标刀位算法会产生较大的加工误差,而本文提出的算法消除了圆刀片安装时存在的俯仰角和偏转角所引起的加工误差,可有效提高复杂曲面的加工精度并获得满足给定编程公差的优化刀位。     

叶片反求建模中的阵列特征提取技术

在对叶片内腔结构的反求建模过程中,大量冷却孔的重建无疑是最困难的任务。以阵列特征的观点研究了冷却孔的重建过程,对数据分割、曲面重建和后续美化3个部分作了详细的论述。实际应用表明,基于阵列特征的建模方法,提高了建模速度和精度,再现了原始设计规律,具有很大的优越性。     

鱼骨柔性翼段线性/非线性静气动弹性对比分析

鱼骨柔性翼作为一种性能优越的主动变弯度机翼机构形式,具有弦向抗弯刚度低、翼型厚度方向刚度高的特点,其在进行大弯度主动变形时结构存在较强的几何非线性且气动弹性效应显著。针对传统线性静气动弹性分析方法并不适用于鱼骨柔性翼段的气动弹性分析问题,以Bristol大学的公开鱼骨柔性翼段模型为研究对象,采用曲面涡格法（VLM）和非线性有限元耦合的非线性静气动弹性方法,以及传统气动弹性分析中常用的平面涡格法和线性有限元耦合的线性静气动弹性方法,分别对鱼骨柔性翼段进行大变形下的静气动弹性分析,并进行结果对比。对比验证了所用曲面涡格法与XFOIL软件气动计算结果。算例结果表明:鱼骨柔性翼段大变形下气动弹性效应显著,相比传统线性静气动弹性分析方法,非线性静气动弹性分析方法得到的鱼骨柔性翼段在大变形状态下升力系数最多减少8.28%,力矩系数最多减少6.86%,且能准确快速得到真实变形结果,更具有实际工程应用价值。