[发明专利]一种基于分区硬化的装配结合面连接性能均匀性提升方法

说明书

本发明公开了一种基于分区硬化的装配结合面连接性能均匀性提升方法，通过装配结合面有限元接触分析，以装配结合面连接性能均匀性为目标，进行装配结合面硬化层布局的拓扑优化设计，以优化的理论数据为依据，通过利用激光强化技术，进行装配结合面的分区差异性硬化。本发明通过在装配结合面上进行分区差异性硬化，可以有效提高装配结合面连接性能的均匀性，实现改善航空发动机等高端装备零部件高周疲劳和整机振动的目的。

技术领域

本发明涉及一种机械装备装配结合面性能提升技术，具体是指一种基于分区硬化的装配结合面连接性能均匀性提升方法。

背景技术

机械装备是由若干个零件经螺栓等连接方式组装而成的具有一定功用的功能体；其零部件之间的装配结合面(又称装配连接界面)是承载和保障机械装备实现既定功能的关键载体，装配结合面连接性能的均匀性(即结合面上接触压力、连接刚度等的分布均匀程度)对机械装备高性能服役具有重要作用。譬如装配结合面连接均匀程度和刚度均匀性差是航空发动机等高端装备零部件高周疲劳和振动过大的主要因素之一。通过对装配结合面开展精准控形控性设计与加工，以提高其连接均匀程度和刚度均匀性，具有重要的工程应用价值。抛开装配结合面的连接紧固工艺，聚焦于装配结合面的设计，结合面的的表面形貌和表面硬度是影响装配连接性能均匀性的两大重要因素。目前，装配结合面的表面形貌设计已得到越来越多的应用，如英国Rolls Royce公司等世界航空发动机制造巨头通过在航空发动机高压涡轮盘与后轴颈之间的装配结合面上设计径向纹理“micro-spline”形貌，显著提升了航空发动机的综合性能，有效增强了其产品在国际市场的竞争力。过往，囿于表面硬度优化技术和加工技术的制约，装配结合面的表面硬度差异性主动控制与设计应用鲜有报道。随着激光表面强化技术的发展和成熟应用，使得装配结合面表面差异性硬化的精准控制与制造成为可能，差异性硬化设计为提高航空发动机等高端装备装配结合面的连接性能提供了新的技术途径。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提出一种基于分区硬化的装配结合面连接性能均匀性提升方法，通过有限元接触分析在装配结合面上优化设计出硬化层布局，再利用激光强化技术对装配结合面根据理论优化结果进行分区差异性硬化，实现提升装配结合面连接性能均匀性的目的。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于分区硬化的装配结合面连接性能均匀性提升方法，包括以下步骤：

1)根据拟采用激光器的脉冲激光光斑尺寸D，将装配结合面的待硬化配合面划分为N个子区域N＝P×Q，P、Q为整数；其中，装配结合面采用非均匀一致的分区硬化布局设计；

2)若待硬化配合面子区域T内包含有n个有限元网格，有限元网格i区域内的弹性模量为e_i、面积为s_i、硬化厚度为h_i，则得到待硬化配合面子区域T内的当量弹性模量E_T和当量硬化厚度H_T；

3)将待硬化配合面N个子区域的当量弹性模型E_T和当量硬化厚度H_T分别按P×Q的矩阵存储，即[E]_P×Q和[H]_P×Q；根据待硬化配合面N个子区域的材料当量弹性模量和当量硬化厚度，确定脉冲激光的脉冲能量NL、脉冲频率PL和脉宽MK，并分别按P×Q的矩阵存储，即脉冲激光的脉冲能量矩阵[NL]_P×Q、脉冲频率矩阵[PL]_P×Q和脉宽矩阵[MK]_P×Q；

4)将待硬化配合面分区信息矩阵[N]_P×Q、脉冲激光的脉冲能量矩阵[NL]_P×Q、脉冲频率矩阵[PL]_P×Q和脉宽矩阵[MK]_P×Q作为激光冲击强化装备的控制信号或参数，进行分区激光硬化。