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科学研究

受损、变形的航空发动机叶片完整再制造模型高精度构建取得阶段性进展

中科院郑志明院士领导的应用数学与智能制造研究团队长期致力于自由曲面一体化设计与制造理论的研究,近期,研究团队与加拿大英属哥伦比亚大学(University of British Columbia, UBC)机械工程系CAD/CAM/CAI实验室合作,在受损、变形的航空发动机叶片完整再制造模型高精度构建方面取得阶段性进展,相关研究工作发表在机械制造类期刊The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2020,DOI:10.1007/s00170-019-04688-w),标题为“Accurate model construction ofdeformed aero-engine blades for remanufacturing”。

航空发动机叶片在现代航空工业中占据着举足轻重的地位。由于其高温、高压、高转速、高负荷的工作环境,航空发动机叶片易受到外界物体的冲击,可能会产生多种损伤(如磨损、腐蚀、疲劳、断裂等)。为了保证在如此严苛的环境中工作,叶片通常由钛合金或镍基、钴基高温合金制成,这些合金罕见且很难加工。考虑到经济成本,通过再制造来延长叶片的使用寿命是目前业界普遍的选择。航空发动机叶片对于外形与表面粗糙度有着十分严格的要求,但在长时间使用后,叶片整体形状相较于其CAD模型存在不同程度的变形,使得其CAD模型无法直接用于再制造。此外,叶片受损区域容易出现数据缺失,且叶片前尾缘等尖端部位测量时易出现噪声、奇异值,这些因素很大程度上影响了再制造叶片模型的精度与完整性。

图1.受损、变形航空发动机叶片再制造模型构建方法流程

图2.航空发动机叶片再制造加工仿真结果

针对上述问题,团队与UBC机械工程系Hsi-Yung Feng教授团队进行了深入合作,将可信测量数据与叶片CAD模型进行结合,提出了受损变形航空发动机叶片完整模型高适应性高精度构建方法,并通过仿真模拟验证了模型的精度。针对叶片测量中在前尾缘等尖端部位易出现的噪声、奇异值等情况,首先对叶片压力面与吸力面测量数据进行提取与不可信剔除。将可信测量数据与叶片CAD模型在迭代最近点算法框架内(Iterative Closest Point,ICP)进行局部刚性保持的高精度匹配,从而构建受损变形航空发动机叶片的完整模型。该方法保持了原模型的网格拓扑性质,进一步可以实现CAD模型刀具加工路径的自适应迁移。算法在UBC机械工程系CAD/CAM/CAI实验室开发的CutRight仿真软件中进行测试,实验结果验证了该方法所构建模型的适用性,对实际航空发动机叶片修复中的后处理效率提升有理论和工程上的指导意义。

本文由“数学、信息与行为”教育部重点实验室的博士生苏澄作为第一作者,姜鑫副教授与霍冠英助理研究员并列作为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划以及国家留学基金委的资助,此外,中国航空发动机集团的刘若阳博士与UBC机械工程系CAD/CAM/CAI实验室的J. S.-S.Chen博士均对本研究提供了大力支持。