基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計*

成同慶 呂彥明 袁 飛 方文湛 張星星

（1.江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室 無錫 214122）

（2.無錫透平葉片有限公司 無錫 214023）

1 引言

汽輪機是將高溫蒸汽的熱能轉化為機械能的重要裝備，葉片是其核心零部件。鍛造模具是制造業中的基礎工藝裝備，也是大規模生產的基礎，常常被稱為工業之母。雖然我國已成為模鍛生產大國，但高技術含量鍛模仍遠遠滿足不了國內市場需要，模鍛行業普遍存在設計手段落后、設計制造周期長、成本高等問題［1～4］。

常用的產品設計方法一般可分為自底向上（Bottom-Up）和自頂向下（Top-Down）兩種［5］。與傳統自底向上設計方法不同的是，自頂向下的產品設計方法強調在整個設計過程中從全局入手，是針對產品整體而言的設計理念，可分為功能設計、概念設計和詳細設計等三個主要階段，它們兩兩之間并不是機械式的線性排列，往往相互迭代地、遞歸地交織在一起，相互之間并沒有確定的分界線存在［6］。知識工程（KBE）在1977 年第五屆國際人工智能會議上由美國斯坦福大學費根鮑姆教授首次提出［7］，知識工程技術的核心是利用現有的設計知識實現產品設計的自動化過程，因此，本文提出一種基于知識的汽輪機葉片自頂向下設計方法，通過對設計過程知識的重復應用，實現以知識驅動產品的自動化設計，提高產品設計效率的同時也減輕了工程設計人員的工作量。

2 鍛模設計系統架構

2.1 實現框架

通過對基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計方法的研究，給出如圖1 所示的鍛模設計詳細設計步驟，實現從葉片鍛件出發，依據鍛模功能要求建立總體結構模型，結合設計過程知識自頂向下實現鍛模各部分的詳細設計。

結合知識工程內涵，將企業現有的設計經驗、理論和規則等知識進行總結并歸納，依據Top-Down 設計思想，提出基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計方法，實現框架如圖2 所示。該方法的應用將大幅提高了汽輪機葉片鍛模的設計效率，也有效地避免了工程設計人員的主觀錯誤，使得鍛模設計的結果更加標準、統一。

圖2 實現框架

2.2 知識獲取

汽輪機葉片鍛模設計知識的獲取就是為了得到設計鍛模所必要的信息。知識的獲取是進行知識工程的前提，也是進行鍛模自頂向下設計的必要準備［8］。由圖2 所示的實現流程可知，其知識主要來源于用戶需求、專家經驗、設計理論、設計方法以及工程數據等，這些知識是工程設計人員的工程實踐積累，更是企業寶貴的財富。

鍛模設計的知識表示是解決如何把設計經驗轉化為計算機能夠執行的語言，以及如何將鍛模設計所需的知識存儲在計算機中，以便重用的技術［9］。知識表示的好壞將直接決定汽輪機葉片鍛模的設計效率與質量，通過對鍛模自頂向下設計過程模型的進一步闡述，在從葉片鍛件產品出發到完成鍛模詳細設計的整個過程中，涉及到眾多知識，根據鍛模設計過程知識的用途差異，將其劃分為如圖3 所示的數學公式類、規則類、過程類以及結構類等四個方面，方便實現知識的重用。

3 系統設計

3.1 模塊設計

汽輪機葉片鍛模模塊尺寸由具體葉片產品確定，由葉片鍛件產品計算鍛造變形力，進一步確定鍛壓機種類和噸位，結合模座安裝形式，由程序自動確定模塊結構與尺寸，實現從葉片鍛件產品出發，結合知識驅動模塊的設計自動化［10］。

以螺旋壓力機為例說明汽輪機葉片鍛造變形力計算以及鍛壓機噸位選擇，鍛造變形力常用公式為

式中，P1為所需的鍛造變形力（KN）；S為鍛件投影面積（cm2）；K為變形抗力系數（KN/cm2），與材料相關，其值可按表1選取。

表1 變形抗力系數K值

根據實踐經驗，螺旋鍛壓機噸位P與鍛件所需的變形力P1存在密切聯系，同樣可由經驗公式確定：

式中，q為變形系數，其值按鍛壓機工作情況由表2確定。

表2 變形系數q值

汽輪機葉片屬于典型的長軸類零件，曲面扭曲嚴重，鍛造過程變形量大，為保證模鍛工藝的順利進行并提高葉片鍛件質量，q一般取較小值，K通常取較大值。

汽輪機葉片常用的模鍛錘、熱模鍛壓力機和螺旋壓力機等鍛壓機的噸位選擇之間的關系可總結為

模鍛錘噸位計算：

熱模鍛壓力機噸位計算：

式中，G的單位為t；K1為模鍛錘和螺旋壓力機的噸位換算系數，K1=3500～4000；K2為熱模鍛壓力機與螺旋壓力機的噸位換算系數，對于大變形量場合取K2=1.5～2，中等變形量場合取K2=1～1.5，小變形量場合取K2=0.5～1。

3.2 飛邊槽設計

汽輪機葉片鍛件是確定飛邊槽尺寸的選擇依據，結合企業生產的實際情況，從葉片鍛件產品出發計算鍛造變形力，采用噸位法確定飛邊槽尺寸，即以鍛壓機噸位選擇為依據，選擇合適的飛邊槽尺寸［11］。本文將企業中螺旋壓力機的噸位與飛邊槽尺寸對應關系整理完畢，部分參數如表3所示。

表3 毛邊槽橋部倉部尺寸參數

3.3 鍛模壓力中心計算

由于葉片鍛件形狀的不規則性，本文根據各分力和的力矩與各分力矩和相等的力矩相等原理，計算葉片鍛造變形力中心，然后調整葉片鍛件在鍛模模塊中的位置，使鍛模壓力中心與模塊中心重合。在鍛模安裝應用時，使鍛模模塊中心與鍛壓機滑塊打擊中心在鍛造方向上共線即可。

為計算葉片縱向鍛造變形力中心，首先在如圖4 所示的葉片鍛件圖上指定計算基準線O-O，然后利用截面線a-a、b-b、c-c等為中心線劃分葉片成一個個小塊，如圖5 所示。各小塊在鍛造平面上的投影面積記為S1、S2、S3、……、Sn；各小塊的寬度為截面弦長加上橋部寬度b，記為M1、M2、M3、……、Mn；各截面的平均厚度記為N1、N2、N3、……、Nn。采用以下公式計算每小塊所需的變形力：

圖4 葉片鍛件

圖5 葉片縱向壓力中心位置確定

式中，為葉片材料在變形溫度下的流動極限，KN/cm2；可按表1 的K值選取，由于汽輪機葉片鍛造溫度較高，一般取較大值。

由式（5）可求得各小塊的變形抗力分別為P1、P2、P3、……、Pn，將它們帶入公式可求得葉片縱向變形抗力中心線與基準線O-O的距離Z：

式中，Z1、Z2、Z3、……、Zn為各小塊截面線到計算基準線O-O的距離。

同理，如圖6 所示，可計算橫向中心線與基準線O'-O'之間的距離X。

圖6 葉片橫向壓力中心位置確定

綜上可得葉片鍛造變形力中心在葉片鍛件上的具體位置O（X，Z）。

4 自頂向下設計實現

二次開發程序集成到CAD 軟件上才能更加直觀地發揮價值，結合企業的實際需求，將汽輪機葉片工裝模具自頂向下設計自動化技術研究成果與UG軟件進行集成，這也是UG二次開發的最終呈現形式［12～13］。

考慮到VS2010 在個性化、可視化以及穩健性和可靠性等方面的優勢，本文基于VS2010 開發平臺，利用MFC 制作用戶界面，借助C++語言完成與UG 軟件之間的各種交互操作，實現汽輪機葉片鍛模自頂向下設計的自動化過程。

4.1 鍛模模塊設計

在鍛造變形力計算和鍛壓機選取完成后，進一步在如圖7 所示的用戶界面上選擇模塊安裝形式，得到鍛模的總體結構模型。再根據確定的鍛壓機噸位訪問模塊尺寸參數數據表，得到1100RL 葉片所需的模塊尺寸參數序列，此時選擇“模塊詳細參數”按鈕可查看模塊具體的尺寸參數，如圖8 所示。實現由葉片鍛件產品出發，根據鍛壓機和模座種類等設計知識驅動模塊的自動化設計。

圖7 選擇模座安裝類型

圖8 模塊詳細參數

4.2 截面線設定

鍛模壓力中心由葉片鍛造變形力中心確定，旨在降低鍛造偏心載荷，減輕鍛壓機和鍛模的非正常磨損［14］。截面線的設定是鍛模壓力中心計算的重要基礎，截面線越多則計算精度越高，但效率便相對較低。本文提供兩種葉片鍛件截面線的布置方式，即固定距離布置和固定數目布置，如圖9所示。

圖9 截面線布置方式

圖10 1100RL葉片模塊詳細設計

葉片總長可通過訪問葉片參數數據表得知，如采用固定數目的截面線布置方法，通過在對話框上指定截面線數量，由式（7）可計算截面線之間的距離d，程序從葉根底部到葉冠頂部等距布置N條截面線。同理，若采用固定距離的截面線布置方法，則指定兩截面線間距d，由式（8）計算分布的截面數，程序從葉根底部到葉冠頂部等距布置N條截面線。

5 二次開發應用實例

汽輪機葉片模具自頂向下自動化設計系統，使設計過程更加快速便捷，設計結果更加標準統一，也大幅減輕了工程設計人員的工作量［15］。以圓弧榫齒葉片1100RL為例具體展示該技術的應用。

根據鍛模設計菜單依次執行，首先得到如圖1所示的模塊詳細設計。

點擊“壓力中心計算”，顯示選定葉片鍛件的鍛造變形力中心坐標O（X，Z），點O在鍛模上的對應點即為鍛模壓力中心點。1100RL 葉片鍛件的鍛造變形力中心計算結果如圖11 所示。最終生成如圖12所示的飛邊槽和葉片鍛件構成的鍛模切割體。

圖11 鍛造變形力中心計算

圖12 完成飛邊槽設計

根據葉片鍛件變形抗力中心計算結果，調整葉片鍛件在模塊中的位置，使鍛模壓力中心與模塊中心重合，用葉片熱鍛件和飛邊槽組成的切割體切割鍛模，完成鍛模上、下模如圖13所示。

圖13 1100RL葉片鍛模

6 結語

針對傳統汽輪機葉片鍛模設計方法的不足，基于Top-Down思想，運用知識工程內涵，歸納企業現有的設計經驗、理論以及規則等知識，提出基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計方法。主要內容有：

1）基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計詳細步驟，分別對鍛造變形力計算、鍛壓機選擇、飛邊槽設計以及壓力中心計算等進行細致的研究，總結歸納設計過程知識，并對設計過程進行知識建模。

2）對基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計過程進行UG 二次開發，詳細說明開發過程。最終實現從葉片鍛件出發，依據鍛模功能要求，結合知識自頂向下完成鍛模各部分的詳細設計，得到鍛模上、下模。

3）基于知識的汽輪機葉片鍛模自頂向下設計系統已應用于企業的實際設計生產過程中，提高了產品設計的效率，但在知識的通用方面有待進一步完善。