GeoVar: Non-rigid geometry variation for fabricated aero engine structure

Forskningsprojekt, 2014 – 2016

Koncept och mål
Gröna och hållbara flygmotorer kräver viktminskning. Detta blir möjligt för öppen rotorteknik (med roterande Ni-baserade och superlegerade komponenter) genom tillverkningsmetoder där ett antal små delar, ofta i olika material, svetsas samman.

I denna typ av fabricerade strukturer, leder variation från tillverkning av de enskilda delarna (från fixtur och monteringsprocesser men även från själva svetsningsprocessen till ackumulation och spridning i strukturen) till geometrisk variation i det slutgiltiga delsystemet. Detta påverkar i sin tur förmågan att uppfylla kraven på aerodynamik och liv. Därför är det oerhört viktigt att ha en pålitlig process för att kunna kontrollera hur variation påverkar de svetsade geometrierna. Det föreslagna projektet kombinerar därmed toppmodern variationssimulering med svetsmetallurgi, svetningssimulering och fixturdesign JTI-CS-2013-02-SAGE-02-035.

I traditionell 3D-variationssimulering (stack-ups) är det vanligt att överväga att delarna är stela. I produktion blir krafter ofta tillämpade manuellt eller genom olika fixturlösningar för att säkerställa att kraven uppfylls innan delar svetsats ihop i montering. Beroende på monteringssekvenser och geometrivariation så behöver olika fixeringskrafter tillämpas på olika komponenter för att säkerställa den rätta passformen i sömmen innan svetsning. Det kan även vara nödvändigt att använda aktiv fixtur där krafterna varierar under svetsprocessen.

Idag finns det 3D-variationssimulering med programvarufunktioner som överväger icke-styva delar, men de fokuserar på metallplåtsdelar. I detta projekt handlar den viktigaste frågan om att utveckla kunskap om gjutgods och smidesprodukter tillsammans med metallplåtsdelar för att definiera toleranser på ingående delar och beräknade krafter som behövs för fixering, för att uppfylla kraven på den slutgiltiga produkten. En virtuell och en fysisk demonstration av en svetsmontering av en komplex geometrikomponent, som består av flera stela och flexibla delar, ska genomföras. Demonstrationen måste omfatta en fixturlösning som kan variera fixtur/klämkraften.

Forskningen om geometrisäkring kommer att kompletteras med simuleringar av svetsdeformationer. Simuleringar av ett begränsat antal geometriska variationer kommer att ge grundläggande förståelse såväl som kvantitativa förskrivningar av de fixturkrafter som behövs.

Det viktigaste resultatet i GeoVar-projektet är en metodologi om 3D-variationssimulering som löser problemet som beskrivits ovan, genom en virtuell och fysisk demonstration av dess kapacitet. Den största fördelen för företagen är möjligheten att tillsätta de rätta toleranserna och att fixturlösningar ökar i tidiga faser av produktutvecklingen.

Bidrag

• Projektet föreslår ett nytt sätt att kombinera variation- och svetssimulering för att stödja utformningen av framtida svetsfixturer för komponenter i flygmotorer.
• Icke-stel geometrisk variationssimulering kommer att vidareutvecklas för att optimera gräns- och stödpositioner för att minimera geometriska variationer i svetsgapet, och även ta hänsyn till fixturkrafter.
• Simuleringar (Computational Welding Mechanics) med integrerade kontrollfunktioner kommer att vidareutvecklas för att förskriva fixturkrafter och därmed behålla specifika toleranser för en stabil svetsprocess.
• Simuleringsområdena kommer att kombineras och integreras för att stödja utformningen av en fysisk svetsfixtur som är lämplig för tillverkning av komponenter till flygmotorer. Resultaten kommer att demonstreras både virtuellt och fysiskt.

Projektledare/koordinator: Rikard Söderberg, Chalmers