(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210713264.6 (22)申请日 2022.06.22 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西 路127号 (72)发明人 卜昆　王硕　段朋国　张雅莉　 牟升　任胜杰　张现东　杨婧钊　 刘军　张海云　张瑞媛　白博贤　 李翔　 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于刚度最小化的精铸件去约束仿真 方法 (57)摘要 本发明属于高温合金熔模精密制造技术领 域， 具体公开了一种基于刚度最小化的精铸件去 约束仿真方法， 用来解决仿真过程中铸件尺寸偏 差大的问题。 主要包括以下步骤： (1)将完整三维 模型分开建立多个有限元模型； (2)重新装配各 有限元模型、 进行凝固计算； (3)以上一步网格为 基准， 保证网格节点不改变， 将各部件凝固结果 进行映射， 同时将需要去除的约束设置刚度最 小， 换热系数改为与空气交换， 以达到室温去约 束的目的； (4)将去约束前、 后与实测尺寸的偏差 进行对比。 本发明既可以预测叶片 的尺寸变化， 又保证了整个过程中网格节点不改变， 为柱晶涡 轮叶片尺寸变形研究提供了可靠的尺寸数据。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 115146404 A 2022.10.04 CN 115146404 A 1.一种基于刚度最小化的精铸件去约束仿真方法， 其特 征在于按照以下步骤进行： 步骤1 将已经设计完成的完整CAD模型根据实际生产工艺分开建立多个有限元模型， 方法为： [1]将整个设计模型从三维建模软件(UG)导入有限元前处理软件(HyperMesh)中， 使用 Mask命令将叶片、 引晶段、 延长段、 浇道、 陶芯、 冷铜、 炉体划分开， 使用Surfaces命令将空缺 面补全后将上述各模型分别导出。 [2]将[1]中不同的CAD模型进行有限元网格的划分后分别导出。 [3]在铸造专用有限元软件(ProCAST)中进行除炉体外所有不同有限元模型的装配， 模 型装配完毕后， 使用Shel l命令生成模壳。 [4]将含模壳的装配 体与炉体进行装配， 得到最终的完整模型。 [5]对完整模型进行 前处理参数设置、 凝固过程 求解。 步骤2 实现对完成凝固仿真的铸件进行去约束， 去约束的顺序和工厂生产实 际保持一致， 具 体去约束步骤为： [1]将步骤1中完整装配体文件复制至新文件夹中， 作为初始去约束文件， 保证整个过 程有限元网格节点与凝固仿真时一 致。 [2]设置模壳、 陶芯、 冷铜、 引晶段、 延长段、 浇道的材料应力属性为刚度最小， 换热方式 为与空气进行 热交换。 [3]将整个炉体的温度设置为室温、 抽拉速率设置为0 。 [4]进行初始条件设定， 将除炉体外的所有装配体全选后， 使用提取映射命令提取步骤 1凝固计算 解， 以此作为 步骤2去约束的初始条件。 具体的提取内容包 含温度、 应力和尺寸。 [5]设置去约束仿真运行参数， 提交运 算。 [6]下一个部件的仿真去约束过程重复[1] ‑[5]。 步骤3 提取对应面处的叶片外轮廓尺寸， 将实测叶片与去约束前后尺寸大小 进行比较。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115146404 A 2一种基于刚度最小化的精铸 件去约束仿真方 法 技术领域 [0001]本发明涉及高温合金熔模精密制造领域， 是一种采用刚度最小化的方式来模拟涡 轮叶片去约束的新型制造 仿真研究方法。 背景技术 [0002]涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机最关键的热端部件之一， 因其高精度和高性能 的要求， 其制备通常采用熔模精密铸造。 目前， 高温合金叶片制备过程中易产生断漏芯、 杂 晶、 尺寸超差等缺陷， 其中， 由于尺寸超差导致的叶片不合格率高达60％。 叶片铸件在制造 过程中由于温度场不可视、 难以控制极易导致变形 的发生， 使用数值模拟技术不仅可以全 过程查看制 造过程的温度场变化， 还可以同时监测尺寸的变化情况。 铸造过程中铸件尺寸 会受到多种约束的影响， 若能将这些约束去除， 铸件的尺寸也会随之发生较大改变。 这里的 约束指的是制造过程中所包含的除涡轮叶片以外的所有部分， 比如模壳、 陶芯、 延长段、 引 晶段等， 去约束的过程 就是指叶片去除这些部分的过程。 [0003]在涡轮叶片有限元仿真分析中， 网格数量多达几万个， 若要进行后续连续仿真， 则 要保证整个过程网格节点的变动极小甚至不改变。 在弹性范围内， 刚度是指引起单位位移 所需的力， 刚度最小化是指刚度无限接近0的一种理想状态， 刚度最小化的零部件对与其接 触的零部件可视作没有约束。 用于实际生产的叶片在尺寸测量时已经去除了所有约束， 而 之前的制造仿 真并未考虑去约束对铸件最终状态的影响， 导致仿真结果和实测叶片尺寸数 据超差大于 0.3mm。 因此， 提出一种去约束过程的制造 仿真十分必要。 发明内容 [0004]为了既能较为准确地预测最终叶片的变形分布情况， 又能保证整个过程有限元网 格节点信息的一致性， 本发明提出一种基于刚度最小化的柱晶涡轮叶片去约束数值模拟新 方法。 采用一定的仿真技术手段， 将 需要在实际生产中去除的约束单独进行有限元网格划 分， 在叶片完成凝固仿 真后， 在保证网格节点序号不改变的前提下， 通过对约束部 分刚度和 辐射的调整， 模拟其模壳、 延长段、 引晶段、 陶芯、 冷铜的去除过程， 使这些约束对叶片尺寸 造成的影响减小， 从而使 预测结果排除约束的影响， 更符合叶片实际状态下尺 寸大小， 为柱 晶涡轮叶片的后续研究提供 可靠的尺寸变化数据。 [0005]本发明实现上述目的 的技术解决方案包括以下步骤： [0006]步骤1 [0007]将已经设计完成的完整CAD模型根据实际生产工艺分开建立多个有限元模型， 方 法为： [0008][1]将整个设计模型从三维建模软件(UG)导入有限元前处理软件(HyperMesh)中， 使用Mask命令将叶片、 引晶段、 延长段、 浇道、 陶芯、 冷铜、 炉体划分开， 使用Surfaces命令将 空缺面补全后将上述各模型分别导出。 [0009][2]将[1]中不同的CAD模型进行有限元网格的划分后分别导出。说　明　书 1/4 页 3 CN 115146404 A 3