本發(fā)明涉及磨粒流拋光，尤其涉及一種精細流道彎管拋光補償結(jié)構(gòu)的制造方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的精密流道彎管結(jié)構(gòu)，因現(xiàn)有的多種加工制造技術(shù)的逐漸成熟，原本傳統(tǒng)加工直角轉(zhuǎn)彎流道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧過渡的直角轉(zhuǎn)流道。然而，受限于精密流道內(nèi)部可達性差，一些高精度的內(nèi)部加工拋光方式不適用，使得精密流道內(nèi)部內(nèi)壁面表面質(zhì)量無法達到使用要求。磨粒流加工方式具有高可達性的特點，并且流體拋光的特點可以有效避免流道內(nèi)部錯綜復(fù)雜取向帶來的干涉，然而這就使得現(xiàn)有的截面形狀不變的圓弧過度的直角轉(zhuǎn)彎流道，會產(chǎn)生內(nèi)壁面和外避免的拋光不均勻現(xiàn)象。

2、目前，市場使用的流體磨粒流技術(shù)在拋光精密流道彎管部分時，彎管截面處周向各部分去除不一致，而且面向高精度的產(chǎn)品或者高要求的使用環(huán)境時，無法保證滿足產(chǎn)品一致性較高的前提下完成均勻有效的拋光。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的未解決上述拋光流道結(jié)構(gòu)時存在的不足，提出了一種精密流道拋光的補償結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于磨粒流拋光精密流道彎管部分時磨粒隨流體運動特性的特點，提出一種補償結(jié)構(gòu)，能夠改善流體與速度場以及壓力場分布，使得拋光流道彎管大徑處以及小徑處更加均勻，拋光后的質(zhì)量更好。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種精細流道彎管拋光補償結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

3、（1）對于給定需要拋光的金屬液壓管路系統(tǒng)，從管路系統(tǒng)中提取初始特征彎管流道的流道直徑、轉(zhuǎn)彎半徑以及轉(zhuǎn)彎角度；

4、（2）給定拓撲優(yōu)化需要的設(shè)計空間及邊界條件，通過solidworks對流道的流域進行幾何建模得到拓撲域模型，并對添加拓撲域未進行優(yōu)化流道模型進行網(wǎng)格劃分；

5、（3）將直管流域部分在磨粒流拋光中設(shè)定為非拓撲優(yōu)化流域，只需對速度方向發(fā)生變化且會產(chǎn)生回流區(qū)域的局部轉(zhuǎn)彎處流域進行流體仿真并拓撲優(yōu)化，得到設(shè)計空間內(nèi)流域拓撲優(yōu)化的初步結(jié)果；

6、（4）根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)對彎管部分的流體域重新建模，對流體域增加壁厚生成能夠進行增材制造的流道實體，對其結(jié)構(gòu)補償并建立得到所需的流道結(jié)構(gòu)。

7、進一步地，所述步驟（2）中通過solidworks對原始流道的流域進行幾何建模得到拓撲域模型，并對添加拓撲域未進行優(yōu)化流道模型進行網(wǎng)格劃分，具體為：首先確定流體拓撲區(qū)域范圍，以流道彎管與直管交接截面兩邊各直線延伸與流道轉(zhuǎn)彎半徑相同長度，以此作為流體拓撲區(qū)域，由此通過solidworks對流域部分進行建模得到拓撲域模型；由于直管流域部分不存在局部壓力損失，即非拓撲優(yōu)化流域，因此只對速度方向發(fā)生變化的局部轉(zhuǎn)彎處流域進行拓撲優(yōu)化，建立設(shè)計空間；即將三維模型以.xt格式導(dǎo)入ansys?workbench，并進行網(wǎng)格劃分，所述網(wǎng)格采用的是非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，其網(wǎng)格為六面體，大小設(shè)置0.1mm，由此得到拓撲前結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型。

8、進一步地，所述步驟（3）中將直管流域部分在磨粒流拋光中設(shè)定為非拓撲優(yōu)化流域，具體為：非拓撲優(yōu)化流域在磨粒流拋光過程中，不存在速度場的急劇變化的直管流域部分，并且磨粒在整體運動過程中處于均勻去除的狀態(tài)且直管部分不存在局部壓力損失。

9、進一步地，所述步驟（2）中的拓撲優(yōu)化，其拓撲優(yōu)化的方法是采用計算流體力學(xué)數(shù)值方法進行拓撲優(yōu)化的，具體為：以固體各向同性懲罰插值模型simp拓撲優(yōu)化理論建立數(shù)學(xué)模型，以單元密度為設(shè)計變量；固體各向同性懲罰插值模型simp是連續(xù)體拓撲優(yōu)化中一種變密度法插值模型；由于設(shè)計變量或者為0，即單元去除；或者為1，即單元保留；所述拓撲優(yōu)化是離散變量0或1的組合優(yōu)化，若設(shè)計域中存在n個設(shè)計變量，則從個方案中尋找最優(yōu)解；當(dāng)n大于64或者128時，則導(dǎo)致“組合爆炸”，所需的分析次數(shù)超出計算機的計算能力，則會導(dǎo)致無法計算；因此需要將離散變量松弛為0-1的連續(xù)變量，并應(yīng)用基于連續(xù)變量的導(dǎo)數(shù)優(yōu)化算法求解，對中間密度進行懲罰或者限制，以確保中間密度不會出現(xiàn)或者受到限制，使之向0或1兩極轉(zhuǎn)變。

10、具體地，所述simp為懲罰模型，利用oc優(yōu)化準(zhǔn)則拓撲優(yōu)化求解算法對數(shù)學(xué)模型進行求解，所述oc準(zhǔn)則法根據(jù)局部區(qū)域的初始設(shè)計點，約束每次迭代應(yīng)滿足的優(yōu)化條件來求解的。

11、進一步地，所述oc準(zhǔn)則法包括最佳特性理論和重新設(shè)計準(zhǔn)則，所述重新設(shè)計準(zhǔn)則利用的是控制器反饋方法，其評估系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)力學(xué)中的有限元分析或計算流體力學(xué)分析，由評估系統(tǒng)提供設(shè)計響應(yīng)，設(shè)計響應(yīng)為cfd中的速度場或結(jié)構(gòu)力學(xué)中的應(yīng)力分布，應(yīng)用于流體動力學(xué)中的oc方法基于阻止回流產(chǎn)生的優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化約束為體積約束，對回流區(qū)域單元進行“沉降”，并通過監(jiān)測流域內(nèi)的回流值約束壓力損失，所述回流值代表與流向相反的總質(zhì)量流量，優(yōu)化器通過評估流場狀態(tài)監(jiān)測回流值，由于當(dāng)前不會自動停止優(yōu)化過程，需要設(shè)置預(yù)定迭代次數(shù)，當(dāng)完成預(yù)定迭代次數(shù)后會結(jié)束優(yōu)化過程，根據(jù)受體積約束的優(yōu)化目標(biāo)，以及在給定的設(shè)計空間中保留或去除實體來迭代地改變流域，實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。

12、進一步地，所述約束每次迭代應(yīng)滿足的優(yōu)化條件來求解的，具體為：首先給出迭代的數(shù)學(xué)表達式為：；其中為第k+1次迭代的變量；為第k次迭代的比例因子；為第k次迭代的解；首先將具有約束的拓撲優(yōu)化模型轉(zhuǎn)為無約束的拉格朗日函數(shù)，通過求解拉格朗日乘子來求解目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，其拉格朗日方程表達式為：；其中，為結(jié)構(gòu)的柔度；v為材料體積分?jǐn)?shù)；?為單元設(shè)計變量；為第i次單元設(shè)計變量；為使得l函數(shù)最小化的v值；和分別為單元設(shè)計變量上下限，、和是與約束對應(yīng)的拉格朗日乘子；其中，其目標(biāo)函數(shù)極限值是根據(jù)kuhn-tucker條件來確定，表達式如下：；其中為 l函數(shù)最小化的 v值；為等式約束的拉格朗日乘子；為約束條件；通過引入阻尼因子以及移動極限常數(shù)兩個參數(shù)穩(wěn)定迭代，其中，；即采用如下迭代更新形式：；其中，k為次數(shù)，?為k次的設(shè)計變量。

13、進一步地，所述步驟（3）中的局部轉(zhuǎn)彎處流域進行流體仿真并拓撲優(yōu)化，是基于步驟（2）給定拓撲優(yōu)化需要的設(shè)計空間及邊界條件而完成，具體為：所述流體仿真是將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到fluent求解器中進行計算；所述設(shè)計空間及邊界條件包括材料屬性和邊界條件；所述材料屬性包括：使用密度為的46號液壓油作為油液介質(zhì)，其動力粘度為；所述邊界條件求解為：設(shè)總體積流量為0.38l/min，則入口質(zhì)量流量為0.5.4*10^-3kg/s，將入口設(shè)置為速度入口，平均速度為2m/s，出口設(shè)置為壓力出口，根據(jù)液壓系統(tǒng)實際工況，設(shè)定出口壓力大小為0mpa進行仿真；根據(jù)cfd仿真結(jié)果在給定的設(shè)計空間內(nèi)進行拓撲優(yōu)化，以入口與出口間壓力損失為優(yōu)化目標(biāo)，流域材料的體積為約束，得到設(shè)計空間內(nèi)流域拓撲優(yōu)化的初步結(jié)果。

14、進一步地，對所述設(shè)計空間內(nèi)流域拓撲優(yōu)化的初步結(jié)果進行形狀優(yōu)化處理，得到拓撲流域的光滑曲面，通過提取拓撲后管道優(yōu)化特征，對彎管拓撲區(qū)域進行重新建模，確定流道轉(zhuǎn)彎部分變截面結(jié)構(gòu)在初始彎管部分的尺寸長度，以及變截面形狀在彎管部分的尺寸變化大小，重新建模得到特定尺寸下精密流道彎管部分的拓撲補償結(jié)構(gòu)，對彎管部分進行結(jié)構(gòu)補償，對于彎管流域在轉(zhuǎn)彎處短徑處，形成向內(nèi)凹陷的“月牙型”凹槽，以用來抑制在高速磨粒流拋光過程中磨料介質(zhì)流體所產(chǎn)生的回流區(qū)域，同時在連接直流道部分形成過渡緩沖區(qū)域，同時拓撲補償結(jié)構(gòu)對于轉(zhuǎn)彎中心形成對稱結(jié)構(gòu)，用于對磨粒流雙向拋光；對補償結(jié)構(gòu)的彎管精密流道和為做補償結(jié)構(gòu)彎管精密流道進行流體力學(xué)分析，通過對比結(jié)構(gòu)補償前和結(jié)構(gòu)補償后流道的流體力學(xué)分析結(jié)果，在相同進出口條件設(shè)置下，補償后得到均勻的流域速度場，且補償后的流道截面改變了磨粒流拋光過程中在彎管截面部分流動特性；同時進行壓力場分布的比較，補償后的精密流道結(jié)構(gòu)去除了彎管部分所產(chǎn)生的低壓區(qū)域、介質(zhì)流速方向變化產(chǎn)生的渦旋區(qū)，以及流動方向改變所引起地彎管部分內(nèi)測和外側(cè)的不同壓力。

15、進一步地，所述步驟（4）中對流體域增加壁厚生成能夠進行增材制造的流道實體，具體為：由于重新建模后的流體域為變截面流域，呈非規(guī)則形狀，需要為流域增加壁厚才能生成可進行增材制造的流道實體，在保證流道力學(xué)性能，避免應(yīng)力集中的前提下為變截面流域增加均勻壁厚；所述增加均勻壁厚是通過曲面偏移的方式為補償后的的流域增加均勻的安全壁厚得到流道實體模型；所述曲面偏移為流域部分向外擴展形成流道。

16、本發(fā)明的有益效果時：

17、本發(fā)明設(shè)計了磨粒流拋光精密流道彎管部分的均勻拋光補償結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)彎管

18、部分短徑、長徑側(cè)的均勻拋光。解決了高速磨粒流拋光在彎管部分過拋問題，實現(xiàn)了精密流道彎管部分拋光后的結(jié)構(gòu)完整。