李俊燁，周立賓，張心明，尹延路，徐成宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

整體葉輪磨粒流拋光數(shù)值模擬研究

李俊燁，周立賓，張心明，尹延路，徐成宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

葉輪為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，其曲面特征會(huì)影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)磨粒流在不同磨料速度下拋光整體葉輪的加工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了靜態(tài)壓強(qiáng)、動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度和壁面剪切力對(duì)磨粒流拋光葉輪研拋?zhàn)饔?。從?shù)值云圖可知，磨粒流研拋葉片時(shí)其頂端的拋光效果要好于其根端，且研拋速度越大，葉輪葉片的拋光效果越好，此研究成果可為利用磨粒流拋光整體葉輪提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

整體葉輪；磨粒流；計(jì)算流體力學(xué)；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國(guó)航空業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)數(shù)量的不斷增加，對(duì)航空葉輪的需求也在不斷增加，同時(shí)由于航空葉輪的形狀精度和表面質(zhì)量影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能，所以對(duì)葉輪的超精密加工就變得越來(lái)越重要，但整體葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片扭曲大，間隔較小，這給整體葉輪的超精密拋光帶來(lái)了困難，而磨粒流加工可以很好的對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面進(jìn)行光整、去毛刺加工[1]。

1 磨粒流拋光原理

在磨粒流研磨拋光過(guò)程中，工件夾具和工件配合，形成了磨粒流拋光通道，通過(guò)外界壓力的作用，將含有磨粒的黏彈性液態(tài)磨料壓入加工通道中，磨料反復(fù)地對(duì)通道表面或邊角（即零件的被加工表面）進(jìn)行研磨，實(shí)現(xiàn)了拋光、倒圓角作用[2,3]，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工表面的拋光、光整加工，磨粒流拋光，原理圖如圖1所示。

圖1 磨粒流加工示意圖

磨粒流拋光機(jī)理是把磨粒流加工介質(zhì)內(nèi)磨?？醋鳠o(wú)數(shù)的切削刀具，利用磨粒的不規(guī)則堅(jiān)硬棱角反復(fù)磨削加工介質(zhì)所流經(jīng)的零件被加工表面，從而實(shí)現(xiàn)零件表面的精加工[4]。由磨粒流微磨削拋光機(jī)理的研究可知，磨粒流微磨削加工通道內(nèi)表面時(shí)主要是徑向力和剪切應(yīng)力的支配，磨粒介質(zhì)受到載荷應(yīng)力的支配，將不規(guī)則的硬質(zhì)磨料顆粒壓入待加工表面中，當(dāng)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，磨粒在加工通道內(nèi)產(chǎn)生微磨削，使零件的表面材料脫落[5～7]，其磨粒微磨削拋光機(jī)理圖如圖2所示。

圖2 磨粒微磨削拋光機(jī)理示意圖

2 仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 仿真模型建立

根據(jù)航空葉輪的相關(guān)技術(shù)要求，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，得到的三維圖如圖3所示，并將完成后的三維模型保存為x_t格式，將其導(dǎo)入Workbench的mesh模塊中，對(duì)三維模型外部進(jìn)行包覆處理[8]，得到外部流體和整體葉輪的結(jié)合體，對(duì)航空葉輪的的三維模型進(jìn)行抑制處理，對(duì)外部流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

圖3 航空葉輪三維圖

圖4 網(wǎng)格劃分模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行仿真模擬的過(guò)程中我們假設(shè)顆粒相與介質(zhì)相不發(fā)生任何溶解或結(jié)晶等化學(xué)過(guò)程，顆粒狀固體磨料與介質(zhì)具有相同的壓力作用，二者同時(shí)滿足動(dòng)量守恒和能量守恒方程，且固體磨粒與介質(zhì)間的相互作用是通過(guò)阻力系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)磨粒流加工工藝特點(diǎn)，利用計(jì)算流體力學(xué)方法選擇非耦合隱式雙精度求解器，利用標(biāo)準(zhǔn)k?ε固液兩相Mixture湍流模型進(jìn)行數(shù)值分析；磨粒流體介質(zhì)載體設(shè)置為主項(xiàng)第一項(xiàng)，第二項(xiàng)為SiC顆粒；邊界條件選擇速度入口條件和速度出口條件，入口速度設(shè)置為：20m/s、30m/s、40m/s和50m/s；其余邊界定義為固壁條件。

3 仿真結(jié)果與分析

當(dāng)參數(shù)設(shè)置成功后，采用SIMPLEC算法求解流動(dòng)方程，經(jīng)初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算，對(duì)整體葉輪磨粒流拋光過(guò)程進(jìn)行流體力學(xué)數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)束后得到如圖5所示的殘差監(jiān)視變化曲線。

圖5 殘差監(jiān)視變化曲線

從殘差監(jiān)視曲線可以看出，隨迭代次數(shù)的隨著迭代次數(shù)的增加，模型計(jì)算求解的各項(xiàng)參數(shù)大約迭代120次左右達(dá)到收斂，這說(shuō)明了磨粒流拋光經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，且葉輪磨粒流拋光求解參數(shù)和模型設(shè)置是合理的。為了進(jìn)一步研究分析整體葉輪磨粒流拋光流場(chǎng)內(nèi)連續(xù)相的運(yùn)動(dòng)特性，選取相同顆粒粒徑，分析不同速度條件下的磨粒流介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)，主要針對(duì)磨粒流拋光葉輪的靜態(tài)壓力、動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度以及壁面剪切力分布進(jìn)行研究。

為了能更加準(zhǔn)確的研究不同入口速度對(duì)磨粒流拋光效果的影響，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料將入口速度分別設(shè)置成20m/s、30m/s、40m/s和50m/s，對(duì)比分析不同速度條件下的靜態(tài)壓力、動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度以及壁面剪切力分布情況。

3.1 靜壓力分析

圖6 不同速度下的靜壓力分布云圖

從圖6靜態(tài)壓力分布云圖中可以看出，葉輪的每片葉片上的受力情況均相似，但由于葉輪葉片形狀較復(fù)雜，單個(gè)葉片上的不同位置作用力差別也大，在葉輪的葉片頂部靜態(tài)壓強(qiáng)是最高的，隨著磨粒流流到葉片的根部靜態(tài)壓強(qiáng)出現(xiàn)了衰減，且在葉輪葉片的中間部位的靜態(tài)壓強(qiáng)要略大于靠?jī)蓚?cè)的部位，葉片根部的靜態(tài)壓強(qiáng)最小。且可以看到隨入口速度的增加，葉輪整體的靜態(tài)壓強(qiáng)均有所增大。這說(shuō)明入口速度越大磨粒流拋光葉輪的效果越明顯。且單個(gè)葉片的不同部位磨粒流拋光效果略有不同。

3.2 動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)分析

圖7 不同速度下的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)分布云圖

動(dòng)壓是用來(lái)表征流體運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的物理量，是由于流體的運(yùn)動(dòng)而引起的，因此分析磨粒流拋光葉輪葉片的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)的分布云圖，對(duì)于研究磨粒流拋光葉輪的效果有著非常重要的意義。從圖7不同速度下的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)云圖可以看出葉片頂端部位的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)最高，葉片中間部位的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)要低于兩端所受的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)，這說(shuō)明磨粒流對(duì)葉輪的拋光效果在葉片的頂端效果最明顯，在葉片中間部位拋光效果較差，這主要是由于葉片的形狀交復(fù)雜導(dǎo)致磨粒流在流經(jīng)中間部位時(shí)湍流動(dòng)能有所降低。通過(guò)對(duì)比不同速度下的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著入口速度的增加，葉片所受動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)也不斷增強(qiáng)。

3.3 湍流動(dòng)能分析

圖8 不同速度下的湍流動(dòng)能分布云圖

湍流動(dòng)能是反映湍流發(fā)展混合能力的一個(gè)指標(biāo)，湍流動(dòng)能較大的地方，湍流脈動(dòng)強(qiáng)度與脈動(dòng)速度也相應(yīng)比較大，此時(shí)磨粒與工件表面的接觸也更加頻繁無(wú)規(guī)則，致使切削能力增強(qiáng)、加工效果明顯。從圖8中可以看出，當(dāng)在不同入口速度條件下湍流動(dòng)能也有所不同，隨著入口速度的增大磨粒流流場(chǎng)內(nèi)的湍流動(dòng)能也越來(lái)越大，這說(shuō)明增大入口速度可提高磨粒流對(duì)整體葉輪的磨削能力，從而提高磨削效果。

3.4 湍流強(qiáng)度分析

圖9 不同速度下的湍流強(qiáng)度分布云圖

湍流強(qiáng)度簡(jiǎn)稱湍流度或湍強(qiáng)，是湍流強(qiáng)度漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均速度的比值，是衡量湍流強(qiáng)弱的相對(duì)指標(biāo)。從圖9不同速度下的湍流強(qiáng)度分布云圖可以看出，在同一葉片上同樣是葉片頂端的湍流強(qiáng)度最大，葉片中間部位的湍流強(qiáng)度要低于兩端的湍流強(qiáng)，且隨著入口速度的增加葉輪葉片所受的湍流強(qiáng)度也進(jìn)一步的增大。

3.5 壁面剪切力分析

圖10 不同速度下的壁面剪切力云圖

從圖10不同速度下的壁面剪切力云圖可以看出，同樣葉輪葉片頂端所受的壁面剪切力最大，葉片中間部位所受的壁面剪切力要低于兩端，隨著入口速度的增加，葉片所受的壁面剪切力也增大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)磨粒流加工原理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，探討磨粒流加工整體葉輪的特性。以流體力學(xué)軟件FLUENT為平臺(tái)，采用k?ε湍流模型及固液兩相Mixture湍流模型對(duì)磨粒流加工過(guò)程中磨粒流的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)流體仿真分析靜態(tài)壓力、動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度以及壁面剪切力云圖，從中獲得了以下結(jié)論：

1）通過(guò)流體仿真分析云圖可知，應(yīng)用磨粒流技術(shù)對(duì)整體葉輪進(jìn)行表面拋光具有可行性，磨粒流對(duì)葉輪葉片的頂端拋光效果最明顯，對(duì)葉輪中間部位的拋光效果略差，初步預(yù)測(cè)葉輪葉片的頂部彎曲部位以及葉片根部的加工效果較好。

2）從數(shù)值分析結(jié)果可以看出，當(dāng)初始入口速度越大時(shí)，整體葉輪磨粒流拋光的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度以及壁面剪切力越大，所以在進(jìn)行伺服閥閥芯噴嘴磨粒流拋光時(shí)，可以適當(dāng)?shù)脑黾铀俣?，增?qiáng)其對(duì)葉輪葉片的拋光效果，從而獲得較好的表面粗糙度，這對(duì)磨粒流拋光整體葉輪時(shí)參數(shù)的優(yōu)化提供了理論支撐。

[1] 高航,吳鳴宇,付有志,等.流體磨料光整加工理論與技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,07:174-187.

[2] 李俊燁,劉薇娜,楊立峰.噴油嘴小孔磨粒流加工特性三維數(shù)值分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2012,34(3):27-29.

[3] 季田,卞桂虹,劉向東,等.離心壓縮機(jī)窄流道閉式葉輪拋光工藝研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2007,06:38-41,50.

[4] 朱建輝.航空葉輪的磨料流加工模擬分析及可行性研究[D].大連理工大學(xué),2013.

[5] 孫艷偉.磨料流加工中流體磨料流變性質(zhì)的研究[D].太原理工大學(xué),2013.

[6] 黃鵬躍,王松.某型機(jī)離心葉輪磨粒流拋光工藝試驗(yàn)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015,15:38.

[7] 趙培鋒,軋剛.基于有限元方法的磨料流加工數(shù)值模擬[J].電加工與模具,2011,03:42-44,47.

[8] 尹延路,騰琪,李俊燁,等.基于大渦數(shù)值模擬的磨粒流流場(chǎng)仿真分析[J].機(jī)電工程,2016,33(5)537-541.

表1 兩次優(yōu)化前后分析結(jié)果對(duì)比

總之，兩次優(yōu)化后最大變形降低到0.016mm，滿足了主軸剛度校驗(yàn)準(zhǔn)則，最大應(yīng)力降低為6.85MPa，優(yōu)化效果明顯且達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本文以需要滿足多部件同軸安裝的料卷軸支座為研究對(duì)象，逐步展示了其設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化過(guò)程。首先，提出了料卷軸支座基于工況要求的最初設(shè)計(jì)方案，但其變形超出同軸度誤差要求。然后，采取整體圓柱形設(shè)計(jì)來(lái)減小變形，該新設(shè)計(jì)雖然最大變形降低明顯，但仍未滿足主軸剛度校驗(yàn)準(zhǔn)則。最后基于多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的尺寸優(yōu)化，提高筋板分布的合理性，在不改變整體形狀并滿足設(shè)計(jì)工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了變形的優(yōu)化，使最終的設(shè)計(jì)產(chǎn)品符合剛度要求，設(shè)計(jì)方案滿足預(yù)期工況要求。本文所述研究結(jié)果為卷到卷系統(tǒng)中料卷軸的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yang P,Wu W,Moniri M,et al.Efficient Object Localization Using Sparsely Distributed Passive RFID Tags[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(12):5914-5924.

[2] Unander T, Nilsson H E.Characterization of Printed Moisture Sensors in Packaging Surveillance Applications[J].IEEE Sensors Journal,2009,9(8):922-928.

[3] Taussig C,Elder R, Jackson W, et al. Defect analysis of roll-toroll SAIL manufactured flexible display backplanes[C].Device Research Conference,2011:241-244.

[4] 鄢黎.淺談RFID電子標(biāo)簽及卷到卷電子標(biāo)簽生產(chǎn)線[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013(6):31-33.

[5] Xiang L,Li S, Cui W.Measurement and analysis of torsional vibration signal for rotating shaft system[C].Fuzzy Systems and Knowledge Discovery,2012:1851-1854.

[6] 許京荊.ANSYS Workbench 工程實(shí)例詳解[M].武漢:人民郵電出版社,2015.

[7] 龐志成.液體氣體靜壓技術(shù)[M].哈爾濱:黑龍江人民出版社,1984.

[8] 全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì).GB/T 4604.1 -2012,向心軸承徑向游隙[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[9] Lee Y S, González J A, Ji H L, et al.Structural topology optimization of the transition piece for an offshore wind turbine with jacket foundation[J].Renewable Energy,2016,85:1214-1225.

[10] 葉勤.輕型載貨汽車車架有限元分析與優(yōu)化[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

The numberical simulation research on abrasive flow polishing integral impeller

LI Jun-ye, ZHOU Li-bin, ZHANG Xin-ming, YIN Yan-lu, XU Cheng-yu

TH117.1

A

1009-0134(2016)12-0088-05

2016-07-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51206011）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（20130522186JH，20160101270JC）；吉林省教育廳項(xiàng)目（吉教科合字[2016]第386號(hào)）

李俊燁（1981 -），男，吉林人，副教授，博士，主要從事精密與超精密加工、微摩擦與多相流技術(shù)的研究。