整體葉輪磨粒流拋光數值模擬研究

李俊燁，周立賓，張心明，尹延路，徐成宇

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

整體葉輪磨粒流拋光數值模擬研究

李俊燁，周立賓，張心明，尹延路，徐成宇

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

葉輪為航空發動機中的重要部件，其曲面特征會影響航空發動機的進氣性，進而影響發動機的動力性。利用計算流體力學方法對磨粒流在不同磨料速度下拋光整體葉輪的加工過程進行了數值模擬，分析了靜態壓強、動態壓強、湍動能、湍流強度和壁面剪切力對磨粒流拋光葉輪研拋作用。從數值云圖可知，磨粒流研拋葉片時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和技術支持。

整體葉輪；磨粒流；計算流體力學；數值模擬

0 引言

隨著我國航空業的不斷發展，飛機數量的不斷增加，對航空葉輪的需求也在不斷增加，同時由于航空葉輪的形狀精度和表面質量影響著發動機的進氣性能，所以對葉輪的超精密加工就變得越來越重要，但整體葉輪結構復雜，葉片扭曲大，間隔較小，這給整體葉輪的超精密拋光帶來了困難，而磨粒流加工可以很好的對航空發動機葉片的表面進行光整、去毛刺加工[1]。

1 磨粒流拋光原理

在磨粒流研磨拋光過程中，工件夾具和工件配合，形成了磨粒流拋光通道，通過外界壓力的作用，將含有磨粒的黏彈性液態磨料壓入加工通道中，磨料反復地對通道表面或邊角（即零件的被加工表面）進行研磨，實現了拋光、倒圓角作用[2,3]，以此來實現對加工表面的拋光、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

磨粒流拋光機理是把磨粒流加工介質內磨粒看作無數的切削刀具，利用磨粒的不規則堅硬棱角反復磨削加工介質所流經的零件被加工表面，從而實現零件表面的精加工[4]。由磨粒流微磨削拋光機理的研究可知，磨粒流微磨削加工通道內表面時主要是徑向力和剪切應力的支配，磨粒介質受到載荷應力的支配，將不規則的硬質磨料顆粒壓入待加工表面中，當產生相對滑動時，磨粒在加工通道內產生微磨削，使零件的表面材料脫落[5～7]，其磨粒微磨削拋光機理圖如圖2所示。

圖2 磨粒微磨削拋光機理示意圖

2 仿真模型建立及參數設置

2.1 仿真模型建立

根據航空葉輪的相關技術要求，利用SolidWorks進行三維建模，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，將其導入Workbench的mesh模塊中，對三維模型外部進行包覆處理[8]，得到外部流體和整體葉輪的結合體，對航空葉輪的的三維模型進行抑制處理，對外部流體進行網格劃分，得到的網格劃分模型如圖4所示。

圖3 航空葉輪三維圖

圖4 網格劃分模型

2.2 仿真參數設置

在進行仿真模擬的過程中我們假設顆粒相與介質相不發生任何溶解或結晶等化學過程，顆粒狀固體磨料與介質具有相同的壓力作用，二者同時滿足動量守恒和能量守恒方程，且固體磨粒與介質間的相互作用是通過阻力系數來實現的。

根據磨粒流加工工藝特點，利用計算流體力學方法選擇非耦合隱式雙精度求解器，利用標準k?ε固液兩相Mixture湍流模型進行數值分析；磨粒流體介質載體設置為主項第一項，第二項為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 仿真結果與分析

當參數設置成功后，采用SIMPLEC算法求解流動方程，經初始化后進行迭代計算，對整體葉輪磨粒流拋光過程進行流體力學數值模擬，計算結束后得到如圖5所示的殘差監視變化曲線。

圖5 殘差監視變化曲線

從殘差監視曲線可以看出，隨迭代次數的隨著迭代次數的增加，模型計算求解的各項參數大約迭代120次左右達到收斂，這說明了磨粒流拋光經過一段時間后達到穩定的湍流狀態，且葉輪磨粒流拋光求解參數和模型設置是合理的。為了進一步研究分析整體葉輪磨粒流拋光流場內連續相的運動特性，選取相同顆粒粒徑，分析不同速度條件下的磨粒流介質流動狀態，主要針對磨粒流拋光葉輪的靜態壓力、動態壓強、湍流動能、湍流強度以及壁面剪切力分布進行研究。

為了能更加準確的研究不同入口速度對磨粒流拋光效果的影響，根據相關的文獻資料將入口速度分別設置成20m/s、30m/s、40m/s和50m/s，對比分析不同速度條件下的靜態壓力、動態壓強、湍流動能、湍流強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雜，單個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壓強是最高的，隨著磨粒流流到葉片的根部靜態壓強出現了衰減，且在葉輪葉片的中間部位的靜態壓強要略大于靠兩側的部位，葉片根部的靜態壓強最小。且可以看到隨入口速度的增加，葉輪整體的靜態壓強均有所增大。這說明入口速度越大磨粒流拋光葉輪的效果越明顯。且單個葉片的不同部位磨粒流拋光效果略有不同。

3.2 動態壓強分析

圖7 不同速度下的動態壓強分布云圖

動壓是用來表征流體運動速度相關的物理量，是由于流體的運動而引起的，因此分析磨粒流拋光葉輪葉片的動態壓強的分布云圖，對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不同速度下的動態壓強云圖可以看出葉片頂端部位的動態壓強最高，葉片中間部位的動態壓強要低于兩端所受的動態壓強，這說明磨粒流對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雜導致磨粒流在流經中間部位時湍流動能有所降低。通過對比不同速度下的動態壓強分布云圖可以發現，隨著入口速度的增加，葉片所受動態壓強也不斷增強。

3.3 湍流動能分析

圖8 不同速度下的湍流動能分布云圖

湍流動能是反映湍流發展混合能力的一個指標，湍流動能較大的地方，湍流脈動強度與脈動速度也相應比較大，此時磨粒與工件表面的接觸也更加頻繁無規則，致使切削能力增強、加工效果明顯。從圖8中可以看出，當在不同入口速度條件下湍流動能也有所不同，隨著入口速度的增大磨粒流流場內的湍流動能也越來越大，這說明增大入口速度可提高磨粒流對整體葉輪的磨削能力，從而提高磨削效果。

3.4 湍流強度分析

圖9 不同速度下的湍流強度分布云圖

湍流強度簡稱湍流度或湍強，是湍流強度漲落標準差和平均速度的比值，是衡量湍流強弱的相對指標。從圖9不同速度下的湍流強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度最大，葉片中間部位的湍流強度要低于兩端的湍流強，且隨著入口速度的增加葉輪葉片所受的湍流強度也進一步的增大。

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 結論

本文通過以航空發動機整體葉輪為研究對象，通過對磨粒流加工原理和運動規律的分析，探討磨粒流加工整體葉輪的特性。以流體力學軟件FLUENT為平臺，采用k?ε湍流模型及固液兩相Mixture湍流模型對磨粒流加工過程中磨粒流的流動形態進行數值模擬研究，通過流體仿真分析靜態壓力、動態壓強、湍流動能、湍流強度以及壁面剪切力云圖，從中獲得了以下結論：

1）通過流體仿真分析云圖可知，應用磨粒流技術對整體葉輪進行表面拋光具有可行性，磨粒流對葉輪葉片的頂端拋光效果最明顯，對葉輪中間部位的拋光效果略差，初步預測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）從數值分析結果可以看出，當初始入口速度越大時，整體葉輪磨粒流拋光的動態壓強、湍流動能、湍流強度以及壁面剪切力越大，所以在進行伺服閥閥芯噴嘴磨粒流拋光時，可以適當的增加速度，增強其對葉輪葉片的拋光效果，從而獲得較好的表面粗糙度，這對磨粒流拋光整體葉輪時參數的優化提供了理論支撐。

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表1 兩次優化前后分析結果對比

總之，兩次優化后最大變形降低到0.016mm，滿足了主軸剛度校驗準則，最大應力降低為6.85MPa，優化效果明顯且達到預期效果。

4 結論

本文以需要滿足多部件同軸安裝的料卷軸支座為研究對象，逐步展示了其設計方案與優化過程。首先，提出了料卷軸支座基于工況要求的最初設計方案，但其變形超出同軸度誤差要求。然后，采取整體圓柱形設計來減小變形，該新設計雖然最大變形降低明顯，但仍未滿足主軸剛度校驗準則。最后基于多目標驅動的尺寸優化，提高筋板分布的合理性，在不改變整體形狀并滿足設計工藝的基礎上實現了變形的優化，使最終的設計產品符合剛度要求，設計方案滿足預期工況要求。本文所述研究結果為卷到卷系統中料卷軸的設計與優化提供了參考思路。

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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的研究。