渦輪葉片逆向建模與特征參數提取

賴喜德　李廣府　張惟斌　陳小明　宋威　江海

目前在渦輪葉片設計方面大多仍采用傳統設計方法[1].根據氣動設計理論需進行葉形設計、氣動性能分析與評估、剛強度分析、模型制造與性能試驗等多個環節，是一個復雜而周期長的串行過程.為了縮短渦輪葉片的研制周期，降低成本，提高設計的可靠性，采用逆向工程技術，借助于性能優秀的渦輪葉片來研制新葉片是一條有效的技術途徑.如何采用三維測量技術準確測量渦輪葉片實物，并還原渦輪葉片設計意圖，提取相關特征參數等是基于原有渦輪葉片的二次創新的關鍵問題.在提取相關特征參數基礎上可以進一步對渦輪葉片及葉身外形進行參數化設計.

傳統渦輪葉片型線的參數化幾何設計采用二次圓錐曲線[2]、五次多項式[3]、非均勻有理B樣條（NURBS）[46]等方法.由于渦輪葉片的葉身為自由曲面，其參數提取有一定困難.文獻[7]利用三次B樣條對航空發動機邊界點云擬合得到包絡線，再利用包絡線和點云重建了具有良好精度性和光順性的數字化三維模型.文獻[8]采用SCFA（segmentation and constrained fitting algorithm）方法捕捉設計的關鍵點，通過7段圓弧擬合渦輪截面線，還原燃氣渦輪葉片的原始設計意圖，但對于準確地提取相關特征參數卻有一定的局限性.

逆向工程CAD建模的重點在于還原產品設計意圖和重構模型的再設計能力，而不再是僅僅滿足一定光順性和精度性要求的幾何模型重構[812].本文結合渦輪葉片研制的工程要求，以某已運行的渦輪葉片為研究對象，利用反求技術獲得現有氣動性能優秀的葉片數字化模型，并在此基礎上提取相關特征參數.