葉片零件的逆向設計與分析*

李 強，劉海初，黃 勇

(新疆工程學院 機械工程系，新疆 烏魯木齊 830011)

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葉片零件的逆向設計與分析*

李 強，劉海初，黃 勇

(新疆工程學院 機械工程系，新疆 烏魯木齊 830011)

針對復雜曲面類零件的設計，研究采用逆向設計與有限元分析相結合的方法。以葉片零件為例，對其進行三維掃描、數據處理和曲面重構，并對重構模型進行有限元分析和結構優化改進。研究結果表明，采用逆向設計方法能夠極大地加快設計速度，提高產品設計質量。

逆向設計；有限元分析；復雜曲面

1 逆向設計

葉片是一種設計難度很大的零件，設計方法通常有2種：1)做出符合要求的參數曲線，再根據曲線做出葉片曲面；2)采用逆向設計的方法，對現有葉片模型進行分析改進，使結構更趨優化。

逆向設計是采用一定的測量方法對實物或模型進行測量，根據測量數據采用三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程；是一個從樣品生成產品數字化信息模型，并在此基礎上進行產品設計、開發及加工制造的全過程[1]。

作為一種逆向思維的工作方式，逆向工程技術與傳統的產品正向設計方法有所不同，它是根據已存在的產品或零件原型來構造產品的工程設計模型或概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化分析和再創造，是對已有設計的再設計[2]。正向工程與逆向工程設計流程如圖1所示。

圖1 正向工程與逆向工程設計流程

本文采用逆向設計的方法來進行葉片零件設計。葉片零件表面主要由自由曲線、曲面構成，使用正向設計很難達到設計要求。采用逆向設計的方法，是先根據葉片原型進行三維掃描，測量模型數據；然后對數據進行處理，生成數值化模型；接著對模型進行相關有限元分析，對結構進行改進和優化；最后利用數值化模型制造出葉片。采用這種方法，既可以提高效率、降低成本，而且制造出的葉片質量很好。產品的逆向設計過程分為4個階段：數據采集階段、數據處理階段、模型分析改進階段和制造加工階段[3]。

2 逆向設計過程

2.1 三維掃描儀模型數據采集

本研究使用光學三維掃描儀(見圖2)對葉片進行數據采集。其工作原理基于相位光柵投影的結構光法和光學式測量方法。具體方法是采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助2個高解析度的CCD數碼相機，采用光柵干涉條紋進行拍照，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理，在較短的時間內獲得復雜工件表面的完整點云[4]。

圖2 三維掃描儀系統圖

為了實現對不同位置的掃描的點云進行準確拼接，在掃描前，需要在葉片零件的表面上粘貼標志點，標志點拼接時應注意如下幾個問題：1)標志點應貼在物體上平面區域；2)標志點不應貼在一條直線上；3)每相鄰兩次之間的公共標志點至少為4個，由于圖像質量、拍攝角度等多方面原因，有些標志點不能正確識別，因而建議用盡可能多的標志點，一般取6～8個即可。

掃描時，可以多次調整零件的方向和角度，但是應注意角度不能過大，一般10°～20°為宜，保證把零件的每一個細節都掃描到。在每次掃描后，進行一次拼接操作， 并將不符合要求的點云刪除掉。掃描

完畢后，將點云(見圖3)以asc格式保存。

圖3 掃描得到的葉片點云

2.2 三維數據的處理

數據處理時，選擇使用Geomagic Studio軟件來構建模型，并對模型進行設計。Geomagic Studio是美國Raindrop Geomagic(雨滴)軟件公司推出的逆向工程軟件。該軟件是目前市面上對點云處理及三維曲面構建功能最強大的軟件，從點云處理到三維曲面重建的時間通常只有同類產品的1/3。應用Geomagic Studio軟件可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面[5]。

Geomagic Studio軟件逆向建模的流程主要包括如下3個階段：點處理階段、多邊形處理階段和曲面階段。

1)點處理階段。該階段的主要功能是將點云處理為整齊、有序的點。具體操作步驟如下。

a.將葉片的點云文件導入到Geomagic Studio軟件。由于葉片由上、下2個面組成，掃描時也是對上、下2個面分別進行掃描，生成了2個點云文件，因此，應先將葉片上、下2個面的點云拼合到一起。選擇注冊下的手動注冊，在對話框中選n點注冊，在定義集合中選擇葉片的一個點云文件為固定，另一個點云文件為浮動；將上述2個窗口的點云選擇到相同方位，放大模型，在左、右窗口分別依次點擊3個相同點，進行手工注冊(見圖4)；然后選擇所有點云進行全局注冊、聯合點對象操作，就把點云拼合到一起了。

b.對點云進行去除體外孤點、減少噪聲和采樣等操作來去除雜點。

c.對點云進行封裝操作，把點云轉換成三角面(見圖5)。

圖5 封裝

2)多邊形處理階段。該階段的主要功能是對多邊形網格數據進行表面光順與優化處理，并消除錯誤的三角面。封裝完的葉片模型的邊界有些地方很不規則，可使用編輯邊界命令，使邊界規則。模型表面有很多孔和凹凸不平的面，先選擇填充孔下的全部填充，對所有孔進行填充。然后對凹凸不平的地方進行去除特征操作，再選擇網格醫生對模型的釘狀物等區域進行自動修復。由于填充孔時把葉片的安裝孔給填充了，因此需要使用擬合孔操作，生成所需的安裝孔。還可以使用簡化多邊形、砂紙和松弛等操作實現多邊形的規則化，使模型表面更加光滑(見圖6)，為后續曲面模塊做好準備。

圖6 多邊形處理后的模型

3)曲面階段。該階段的主要功能是實現數據分割與曲面重構，得到理想的曲面模型。具體步驟如下。

a.執行探索輪廓線命令，編輯輪廓線。對于沒有探索到的輪廓線，可以用編輯輪廓線里的繪制和抽取功能來實現。為了使輪廓平滑，可使用松弛輪廓線命令。

b.進行構造曲面片、移動面板、修理曲面片和構造柵格操作，使表面生成光順、稠密的曲面片。

c.進行擬合曲面操作，使之成為一個NURBS曲面(見圖7)。

d.進行3D比較，將生成的NURBS曲面與之前的三角面進行比較(見圖8)。

圖7 擬合曲面后的模型

圖8 3D比較

2.3 模型分析、改進

通過逆向設計得到的葉片是否能夠符合實際的工作要求，還需要對模型進行相關的分析。本文應用ANSYS Workbench軟件對模型進行結構靜力分析。

2.3.1 網格劃分

將模型導入后選擇材料，進行劃分網格。網格采用四面體法，可以在關鍵區域使用曲度和近似尺寸功能自動細化網格[6]。尺寸控制的平滑度為中級，生成網格如圖9所示。

圖9 生成網格

2.3.2 載荷和約束施加

在實際工作過程中，葉片在氣動載荷和離心力的共同作用下，受力、變形情況復雜。由于葉片薄且狹長，因此氣動載荷不可忽略，還應考慮離心力載荷。根據實際工作情況，添加轉速3 000 r/min。

本文葉片的定位孔位需被螺栓固定，故定位孔為約束支承(見圖10)。

圖10 載荷和約束

2.3.3 計算及分析

葉片計算等效應力分布圖如圖11所示。該葉片所用材料為鋁合金，屈服強度為175 MPa。由圖11可以看出，葉片的中部靠近邊緣一側，受力最大超過了屈服強度；葉片的中部受力也較大，而葉片的尖端、上端兩側受力很小。

圖11 等效應力分布圖

葉片彈性應變如圖12所示。由圖12可以看出，葉片彈性應變的變化趨勢和等效應力分布一致，變形的大小和應力的大小成正比。

圖12 等效彈性應變

綜上所述，應進行適當改進，減小葉片中部的受力。在結構上，可以增加葉片中部的厚度和寬度，改進葉片的葉型、前傾后彎角。

2.4 產品模型制造加工

在Geomagic Studio軟件中生成的模型數據可以保存為通用的STL、IGES等文件格式并輸出，這樣就可以在CAD/CAM軟件中對產品模型進行進一步的設計和創新。產品定型后，可以通過快速成型或者數控加工的方法實現產品的制造加工[7]。

3 結語

逆向工程是一系列分析方法和應用技術的結合，是一個認識原型→再現原型→超越原型的過程。通過對現有模型的數據采集、數據處理和制造加工，能夠極大地加快設計速度，提高產品質量，滿足產品快速更新換代的要求。

[1] 金濤，童水光. 逆向工程技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] 張學昌. 逆向建模技術與產品創新設計[M].北京：北京大學出版社，2009.

[3] 劉偉軍，孫玉文. 逆向工程原理、方法及應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 許智飲，等. 逆向工程技術三維激光掃描測量[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術版，2001,34(3):404-407.

[5] 王霄. 逆向工程技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

[6] 買買提明·艾尼，陳華磊. ANSYS WORKBENCH 14.0仿真技術與工程實踐[M].北京：清華大學出版社，2013.

[7] 余東滿，朱成俊，婁麗. 逆向工程快速構建原型表面技術[J]. 新技術新工藝，2011(8)：48-50.

* 新疆工程學院校級科研項目(2014xgy201612)

責任編輯 鄭練

Reverse Design and Analysis of Blade Parts

LI Qiang, LIU Haichu, HUANG Yong

(Xinjiang Institute of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Urumqi 830011, China)

In order to solve the problem that it is more difficult to design complex curved surface parts, adopt the method of reverse design combined with finite element analysis, and it can well solve the problem of design and improvement of complex curved surface parts. For blade parts in 3D scanning, data processing, and surface reconstruction, the reconstruction model for finite element analysis and structure improvement is analyzed. Making the structure and function more hasten is optimized, and can greatly speed up the design, improve the quality of the product design.

reverse design, finite element analysis, complex curved surface

TB 472

A

李強(1980-)，男，講師，主要從事數控加工、先進制造等方面的研究。

2016-05-13