单晶叶片生产的自适应变速抽拉仿真方法

摘要

单晶叶片生产的自适应变速抽拉仿真方法，属于材料加工技术领域，其特征在于，通过对Bridgeman法定向凝固生产涡轮发动机单晶叶片的过程进行模拟仿真，整体模拟金属液浇铸后，抽拉机构运转过程中，铸件凝固过程的温度场和组织生长的演变过程，同时本方法以凝固过程的温度场和组织生长的模拟结果为指导，结合工业对单晶叶片生产的标准要求，采用神经网络算法和PID控制原理确定凝固过程的抽拉速度的改变时间和改变大小，对全叶片凝固过程的抽拉速度工艺进行优化。本方法提高了铸件生产合格率，提高了生产效率，降低了工艺调试周期，降低了生产成本，将定向凝固生产单晶叶片的单级变速抽拉工艺升级为自适应的多级变速抽拉工艺，具有广阔的应用前景。

主权项

单晶叶片生产用的自适应变速抽拉仿真方法，其特征在于，依次含有以下步骤：步骤(1)，构建一个基于数值模拟方法的计算机‑实验装置系统：所述实验装置，包括：定向凝固炉及钨/铼热电偶，其中：定向凝固炉，炉体简化为用挡板隔离的位于上部的加热区和位于下部的冷却区，在所述的冷却区的抽拉机构由圆形结晶器和抽拉推杆连接组成，所述圆形结晶器上装有浇注用的叶片型壳，在所述抽拉机构作用下，所述叶片型壳穿过所述挡板上的孔，能够在所述加热区和冷却区之间做上下往复运动，在所述叶片型壳的空腔内对应单晶叶片的引晶段、螺旋选晶段、叶身、上部缘板、下部缘板以及榫头处设定测温点，至少6个点，所述挡板水平地连接在定向凝固炉内炉壁两侧的中部位置，钨/铼热电偶，在测定所述叶片型壳测温点的温度时，该钨/铼热电偶的输出端向所述计算机输入对应测温点的温度，所述计算机，预置有FT‑Star软件；步骤(2)，依次按以下步骤进行单晶叶片生产用的自适应变速抽拉仿真过程：步骤(2.1)，操作员向所述计算机输入单晶叶片生产所用材料的模拟用的基本参数，其中包括：热传导系数，辐射换热系数，所用合金的物理参数：比热、潜热、密度和固/液相线温度，定向凝固炉体参数：所述加热区直径和高度、所述冷却区直径和高度、挡板厚度和圆盘结晶器直径，同时，输入固定抽拉速度值3mm/min，步骤(2.2)，操作员向所述计算机输入所述单晶叶片型壳的三维简化模型，所述计算机用所述FT‑Star软件对该三维简化模型用正六面体单元进行三维离散化，步骤(2.3)，操作员向所述计算机下达用所述FT‑Star软件对叶片凝固过程的温度场进行测试模拟的指令，得到并输出步骤(1)所述至少6个测温点的模拟的温度值随时间变化的数据，步骤(2.4)，操作员以所述单晶叶片为样片，以3mm/min为固定抽拉速度值，在相同于步骤(2.1)中的模拟用的基本参数条件下，在所述实验装置中进行浇注实验，实时测定各测温点实际的温度随时间变化的数据，步骤(2.5)，操作员把步骤(2.3)数值模拟得到的在同一时刻条件下的所述各测温点的数据与步骤(2.4)实测的所述各测温点的温度数据进行对比分析，在任意相同时刻，只要有一个测温点的相对温度误差δ＞10％，便需要增加或减小上一次确定的热传导系数和辐射换热系数值各10％，并作为新的所述基本参数输入到所述FT‑Star软件，直到在不同时刻下所有所述测温点的相对温度误差都不大于10％为止，从而确定最终用于模拟计算的基本参数，所述相对温度误差是指：温度模拟值与温度实测值之差的绝对值与所述温度实测值之比，步骤(2.6)，在计算机中，按照以下步骤对所述单晶叶片生产用的自适应变速抽拉过程进行预测模拟：步骤(2.6.0)，建立实际生产用单晶叶片型壳的三维模型，并采用FT‑Star软进行三维离散化，离散化后的离散子单元表示为C(i，j，k)，i，j，k为离散子单元的坐标值，步骤(2.6.1)，设定抽拉速度曲线v(t)，v(t)表示t时刻的抽拉速度值：步骤(2.6.11)，确定变速判据：所述变速判据用来决定何时对抽拉速度值进行改变，其包括两方面判据：减速判据和加速判据，定义：糊状区，为凝固过程中在叶片型壳内固相温度线和液相温度线之间的区域；液相凝固面：糊状区内，液相开始凝固的界面；Skt，为t时刻糊状区的液相凝固面的面积与糊状区的平均截面积比值，糊状区的平均截面积为将糊状区沿z方向进行10等分，并得出每个等分点的截面积值，从而得到这些等分点截面积的平均值，SM，为Skt的最佳值，此处取1.2；ziu，以挡板中心为坐标原点，沿着定向凝固抽拉方向建立z向一维坐标系，ziu为挡板上端面的坐标；zid，以挡板中心为坐标原点，沿着定向凝固抽拉方向建立z向一维坐标系，zid为挡板下端面的坐标；zSL，为液相凝固面上的离散子单元中心的z方向坐标平均值；En，糊状区内，液相凝固面至液相线等温面区域，是否出现杂晶形核的标志，如果有杂形核，En＝True＝1，否则En＝False＝0；1)第一减速判据1，Skt＞SM，Skt大于最优值，说明由于抽拉速度过大，而引起液相凝固面弯曲严重；或者，第二减速判据2，zSL＜zid，液相凝固面平均值位于挡板之下，说明抽拉速度过大，散热不及时，液相凝固面位置下降；或者，第三减速判据3，En＝True＝1，说明糊状区出现深过冷情况，导致杂晶形核；2)加速判据，zSL＞ziu，步骤(2.6.1.2)，确定5个棒状试样模型的截面积系列值S0和各自对应的最大抽拉速度Vmax的函数关系，步骤(2.6.1.2.1)，建立第一组5个不同截面的棒状试样模型，所有棒状试样模型长度为300mm，作为第一组标准算例，记为标准模型系列1，S0＝78.5，314.2，1256.6，1963.5，2827.4，单位：mm2，其中，S0为所述棒状试样模型的截面积值系列，步骤(2.6.1.2.2)，计算所述棒状试样模型的最大抽拉速度Vmax：对所述的5个不同截面的棒状试样模型采用所述FT‑Star软件进行三维离散化，并以步骤(2.5)所述确定的模拟用基本参数为输入量，对所述的5个不同截面的棒状试样模型分别进行模拟计算，并以步骤(2.6.1.1)所述的变速判据为依据，当计算数据满足所述变速判据时，对抽拉速度进行改变，每次减小或增加的速度增量绝对值为1mm/min，不断进行判断，直至确定的抽拉速度不满足所述变速判据，且凝固完全结束，此时确定的抽拉速度值为所述最大抽拉速度值Vmax，从而建立所述标准模型系列1的5个所述试样模型对应的截面积值系列S0和最大抽拉速度Vmax的关系对：[S0(n)‑Vmax(n)]，n＝1，2，3，4，5，步骤(2.6.1.2.3)，根据步骤(2.6.1.2.2)所述的关系对[S0(n)‑Vmax(n)]，采用BP神经网络算法，以S0为输入层变量，以Vmax为输出层变量，根据所述关系对，对所述第一组标准算例进行系统训练，得到输入量与输出量之间内联关系，即F(S0)＝[Vmax]其中，F(S0)表示根据第一组标准算例的5个棒状试样模型通过BP神经网络算法确定的统一函数关系，步骤(2.6.1.3)，确定突变截面[S1∶S2]和最大抽拉速度vmax以及变速时间提前量Δt之间的函数关系：步骤(2.6.1.3.1)，建立第二组5个截面突变的棒状试样模型，作为第二组标准算例，记为标准模型系列2，[S1∶S2]＝314.2∶706.9，314.2∶1256.6，314.2∶1963.5，706.9∶1963.5，1256.6∶2827.4，单位：mm2∶mm2，所有棒状试样模型的长度为300mm，截面开始突变位置z＝150mm，其中，S1为截面变化前的截面积值，其z方向坐标为z1，S2为截面变化后的截面积值，其z方向坐标为z2，且满足，z1＜z＜z2，(z2‑z1)/z＜5％，步骤(2.6.1.3.2)，对应于所述第二组标准算例中的每一个棒状试样模型，确定最大抽拉速度随时间变化曲线，办法如下：步骤(2.6.1.3.2.1)，采用步骤(2.6.1.2.3)所述的最大速度公式F(S0)＝[Vmax]，当截面积变化时，抽拉速度根据所述函数关系，相应变化，步骤(2.6.1.3.2.2)，确定最大抽拉速度与时间关系，根据设定的截面开始突变位置z＝150mm，确定变速点时间为t1＝z/v1，t2＝z/v2，其中v1为截面突变前面积为S1所对应的最大抽拉速度值，v2为截面突变后面积为S2所对应的最大抽拉速度值，从而确定的抽拉速度曲线为，以v1速度抽拉，持续时间为t1，再改变速度值，开始以v2速度进行抽拉，持续时间为t2，步骤(2.6.1.3.3)，根据计算模拟，修正第二组标准算例的最大抽拉速度随时间变化关系：以步骤(2.6.1.3.2.3)所确定的最大抽拉速度随时间变化曲线为输入，采用所述FT‑Star软件进行模拟计算，并结合所述变速判据进行判断，当满足变速判据时，并不改变速度值，而是减小变速点时间t1的大小，每次减小量为0.5min，并再次计算，直至凝固结束，累加所有时间减小值，记为Δt，最终确定第二组标准算例中每个模型所对应的关系对：[S1(n)∶S2(n)‑v1(n)∶v2(n)∶Δt(n)]，n＝1，2，3，4，5，步骤(2.6.1.3.4)，根据步骤(2.6.1.3.3)所述的关系对，采用BP神经网络算法，以S1，S2为输入层变量，以v1，v2，Δt为输出层变量，对所述第二标准算例进行系统训练，得到输入量与输出量之间内联关系，即F(S1，S2)＝[v1，v2，Δt]其中，F(S1，S2)表示根据第二组标准算例的5个棒状试样模型通过BP神经网络算法确定的统一函数关系，步骤(2.6.1.4)，根据所述实际叶片型壳的三维模型，分析不同截面的截面积值，并根据步骤(2.6.1.3.4)确定的截面积、速度、时间函数关系，计算所需要的抽拉速度随时间变化曲线，步骤(2.6.2)，优化凝固抽拉速度曲线v(t)：以步骤(2.5)所确定的模拟用基本参数为输入，以步骤(2.6.0)所建立的三维离散化模型为输入，以步骤(2.6.1)所建立的抽拉速度随时间变化曲线为输入，采用FT‑Star软件进行模拟计算，并采用变速判据进行变速判断，当满足判据时变速方法如下：对抽拉速度进行自动优化，调整其速度改变量和速度改变时间点，变速规则用来确定每次变速的速度改变量，变速规则分为两部分，减速规则和增速规则：A减速规则：zSL＜zida)当满足减速判据1时，减速量ΔVm＝(1‑Lm)Vm，Lm＝(Skt‑SM)/SM减速时间位置：程序回退时间量Δt＝tprt‑tbf，其中，Skt和SM，定义见步骤步骤(2.6.1.1)，tprt，当前凝固时刻，tbf，当前糊状区处于固相线的单元的温度值从开始浇注温度降至液相线温度时所对应的时刻，满足tbf＜tprt，vm为tbf时刻对应的速度值，Lm，速度减小调整系数，b)当满足减速判据2时，减速量Δvm＝(1‑Lm)vm，Lm＝(zSL‑zid)/zid减速时间位置：程序回退时间量Δt＝3min，其中，zSL和zid，定义见步骤步骤(2.6.1.1)，vm为tbf时刻对应的速度值，tbf，当前糊状区处于固相线的单元的温度值从开始浇注温度降至液相线温度时所对应的时刻，满足tbf＜tprt，c)当满足减速判据3时，Δvm＝(1‑Lm)vm，Lm＝10％；减速时间位置：程序回退时间量Δt＝tprt‑tbf，d)当同时满足减速判据1和减速判据2时，计算减速量ΔVm＝(1‑Lm)Vm，Lm＝(Skt‑SM)/SM减速时间位置：程序回退时间量Δt1＝tprt‑tbf，计算减速量Δvm＝(1‑Lm)vm，Lm＝(zSL‑zid)/zid减速时间位置：程序回退时间量Δt2＝3min，令，ΔVmin＝(ΔVm∶Δvm)，Δtmin＝(Δt1∶Δt2)，其中，ΔVmin，为ΔVm和Δvm中最小值，Δtmin，为Δt1和Δt2中最小值，当同时满足减速判据1和减速判据3时，计算减速量ΔVm＝(1‑Lm)Vm，Lm＝(Skt‑SM)/SM计算减速量Δvm＝(1‑Lm)vm，Lm＝10％；减速时间位置：程序回退时间量Δt＝tprt‑tbf，令，ΔVmin＝(ΔVm∶Δvm)，其中，ΔVmin，为ΔVm和Δvm中最小值，当同时满足减速判据2和减速判据3时，计算减速量Δvm＝(1‑Lm)vm，Lm＝(zSL‑zid)/zid减速时间位置：程序回退时间量Δt2＝3min，计算减速量Δv`m＝(1‑Lm)vm，Lm＝10％；减速时间位置：程序回退时间量Δt3＝tprt‑tbf，令，ΔVmin＝(Δvm∶Δv`m)，Δtmin＝(Δt2∶Δt3)，其中，ΔVmin，为Δvm和Δv`m中最小值，Δtmin，为Δt2和Δt3中最小值，当同时满足减速判据1、减速判据2和减速判据3时，计算减速量ΔVm＝(1‑Lm)Vm，Lm＝(Skt‑SM)/SM减速时间位置：程序回退时间量Δt1＝tprt‑tbf，计算减速量Δvm＝(1‑Lm)vm，Lm＝(zSL‑zid)/zid减速时间位置：程序回退时间量Δt2＝3min，计算减速量Δv`m＝(1‑Lm)vm，Lm＝10％；减速时间位置：程序回退时间量Δt3＝tprt‑tbf，令，ΔVmin＝(ΔVm∶Δvm∶Δv`m)，Δtmin＝(Δt1∶Δt2∶Δt3)，其中，ΔVmin，为ΔVm、Δvm和Δv`m中最小值，Δtmin，为Δt1、Δt2和Δt3中最小值，从而，所述抽拉速度减速量为ΔVmin，所述减速时间位置为Δtmin，B增速规则：当满足加速判据时，增速量Δvp＝(1+Lp)vp，Lp＝(zSL‑ziu)/ziu，增速时间位置：当前时刻增速，其中，Lp，速度增大调整系数，步骤(2.6.3)，当根据变速判据对计算结果验证通过，满足全叶片凝固结束时，根据速度对时间绘制曲线，得到v(t)凝固抽拉速度曲线。