航空发动机制造工艺仿真技术实践与启示.pdfVIP

新一代航空发动机朝着轻质化、高可靠性、长寿命、快速响应以及低成本制

造等方向发展。传统试制研制方式已无法满足重点型号工程的发展需求，持续开

展制造工艺仿真技术研究，将助推航空制造企业数字化转型。

工艺仿真技术是指在虚拟环境中真实再现一个具体的工艺过程，允许用户实

时操作工艺设备或改变相关参数的一种先进仿真技术。在产品研发及生产阶段对

其工艺过程进行仿真和评估，可以辅助产品整个制造周期的工艺改进。传统模式

下，机械产品的设计、工艺规程制定、加工、质量验证，以及交货供应的周期长、

成本高、效率低，质量精度难以得到有效保证。为提升航空发动机零部件生产制

造能力，急需开展制造工艺仿真技术研究，减少加工验证的次数，预判制造过程

中的问题，优化制造工艺、加工参数，实现制造工艺短周期快速迭代以及验证产

品的可制造性。

航空发动机制造工艺仿真发展现状

制造工艺仿真技术始于美国的航空航天、核电等高技术产业。20世纪60年

代，为解决航空航天工业结构分析的迫切需求，美国国家航空航天局（NASA）

提出了开发世界上第一套有限元分析软件Nastran的计划。同期，NASA、西屋电

气公司和美国国防部（DoD）的代码转移和扶持计划使得美国早期的计算机辅助

工程(CAE)软件公司成功地从科研机构进入到市场之中。半个多世纪以来，欧美

的CAE软件产业迅速崛起，牢牢占据了工业价值链的高地，并形成了产业化垄断。

自20世纪80年代后期以来，多学科数值仿真技术的作用受到重视，开发了

多类工艺仿真分析专用软件，例如，美国第三次浪潮系统（ThirdWaveSystems）

公司的PM和FEM、比利时GeonX公司的Virfac等。由于这些软件的专业性远优

于通用软件，在航空发动机制造企业中得到了普遍的应用。

德国于2006年启动卓越计划项目群框架内的材料制造和加工过程的虚拟加

工链项目，开发了加工虚拟平台AixViPMaP，能够对材料加工在不同尺度上进行

有效的仿真、优化和控制。基于该平台，进行了齿轮零件、不锈钢轴承座等5

个零件的铸造、机械加工、热处理等全工艺链加工仿真验证。

美国国防预先研究计划局（DARPA）提出的加速引入材料(AIM)计划是实现

全流程仿真与集成应用的成功案例。AIM计划以航空发动机叶片、涡轮盘等产品

快速研制为应用目标，构建一个数字化集成研制平台，帮助设计与工程人员更加

快速、廉价地开发和找到新材料和新工艺，为材料工艺建模仿真、虚拟制造和功

能验证提供基础材料数据和物理验证。

中国在制造工艺仿真方面已经开展了大量的研究工作，但是起步较晚，工艺

仿真技术仍处于研究探索阶段，技术成熟度不高，缺少相应的技术指导标准和基

础资源数据库，主要以跟踪研究和国外通用商业化软件的个性化应用为主，尚未

实现工艺仿真集成应用，仿真软件效能未得以有效发挥。目前，只能实现单点工

艺分析，未考虑连续工艺实施中应力和变形等对前后工序的影响，尚未实现连续

的制造工艺过程仿真。

航空发动机制造工艺仿真技术实践

从20世纪70年代起，航空制造业历经了仿真应用研究、虚拟产品试制工具

研发和数字化工厂仿真技术探索应用等发展历程。2008—2010年，笔者所在科

研团队应用专用物理仿真软件解决了涡轮盘加工变形、技术指标可达性等生产瓶

颈问题。10年来，将引进的数值仿真软件应用于工程实践，收到良好的效果。

制造工艺仿真研究思路

多因素仿真分析助力静子叶片提质增效

在静子叶片的加工过程中，由于其自身结构的复杂性导致加工难度大，加工

问题层出不穷，其中对复杂曲面性能影响较严重的加工问题主要有加工变形、加

工颤振、刀具磨损等。

工艺仿真发展历程

零件加工问题统计

科研团队采用先进仿真分析方法对复杂曲面加工过程进行研究，通过加工过

程几何仿真和切削参数有限元分析，以控制切削加工过程中切削载荷的大小和波

动为优化目标，对数控加工程序的正确性及合理性进行了验证，找出了影响切削

力大小的关键因素，并对加工过程进行优化，实现复杂曲面的高效优质加工。具

体分析内容包括以下两个方面：加工过程几何仿真主要针对数控程序，对其正确

性及合理性进行仿真验证，检查切削加工过程中是否存在碰撞、干涉、过切、欠

切等问题；切削参数有限元分析以切