基于葉型重構的三維模型修復技術研究

田浩男+沈偉

摘 要：精確的幾何模型是進行有限元分析、計算流體力學分析的基礎，通過各種CAD、CAE軟件建模結果的共享可以有效地減少幾何模型前處理的工作量。但是各種CAD、CAE軟件建立的三維幾何模型文件在互相轉換過程中容易出現變形和失真問題。該文針對某螺旋槳槳葉幾何模型文件在轉化過程中出現的變形和失真問題，研究了一種基于葉型重構的三維模型修復技術，實現了螺旋槳槳葉幾何模型的修復和利用。

關鍵詞：螺旋槳 葉型重構 變形 失真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0072-02

隨著現代計算機軟件、硬件技術的迅速發展，有限元分析、計算流體力學成為當今工程技術和科學研究的重要方法。在進行數值仿真時，常通過各種CAD、CAE軟件建模結果的共享減少前處理的工作量。但是各種CAD、CAE軟件建立的三維幾何模型文件在互相轉換過程中容易出現重構失敗、精度退化、細節處理變形等問題，造成轉化后的模型幾何面變形、小尺寸線和面缺失，形成所謂“爛”模型。

國內學者們通常是手動修復模型，主要方法是將模型細節簡化。如在研究直升機振動方面，把旋翼簡化成直線[1-2]，在研究船體阻力時，將船體大曲率面進行簡化[3-5]。但簡化后的模型影響了自身精度，數值仿真得到的結果往往存在誤差。

該文針對某螺旋槳槳葉幾何模型文件在轉化過程中的問題，利用葉型剖分、修型以及曲面重構等方法，研究了一種基于葉型重構的三維模型修復技術，并很好地修復了螺旋槳槳葉的幾何模型，保證了槳葉模型的幾何精度。

1 幾何模型轉化以及存在的問題

為分析某型螺旋槳的工作流場特性，需要建立其幾何模型。該螺旋槳有其自身的幾何模型文件，文件為常規*.X_T格式，可以為各種軟件提供模型文件共享，如圖1所示。在GAMBIT、ICEM等前處理軟件中進行轉化重構過程中，均出現了只能生成三維幾何模型，但無法劃分網格的情況。

為此，該文對重構后的槳葉幾何模型進行檢查。在前處理建模軟件中，采用拓撲運算的方法，對槳葉進行了水平剖分。對剖分面進行檢查發現：由于曲率變化劇烈，槳葉2/3葉高以上的葉型線前緣在幾何模型的轉化和重構中發生了扭轉和變形；葉型后緣由于存在尺寸跨度極大的各種工藝面，在幾何模型的轉化和重構中出現了失真。

2 基于葉型重構的修復技術

2.1 槳葉前緣修復

在槳葉前緣的修復過程中，保留槳葉2/3葉高以下的水平葉型線和槳葉型面，對出現重構失真問題的槳葉2/3葉高以上的部分，刪除槳葉型面，只保留基本的水平剖分葉型線。

對轉化過程中出現變形的水平剖分葉型線前緣進行修復時，以水平剖分葉型線上的點為基礎，擬合新的樣條曲線，如圖2所示，完成對槳葉前緣型線的修復。

2.2 槳葉后緣修復

槳葉后緣修復的方法與前緣修復的方法類似，刪除所有出現重構失真問題的槳葉后緣面，只保留后緣型線并對其修復。

對所有葉高水平葉型線后緣水平型線進行樣條修復時，同樣以后緣線上的點為基礎，并對過小的線條進行了合并；以原槳葉模型后緣上的有效關鍵點為基礎，重構后緣的縱向樣條曲線，如圖3所示，完成對槳葉后緣型線的修復。

2.3 槳葉面的重構

以修復后的水平剖分葉型線、后緣型線和獲得槳葉前緣的縱向前緣線為基礎，對槳葉表面進行重構。但槳葉表面的扭轉程度隨著葉高的增加而加劇，難以利用修復后的水平剖分葉型線和前后緣縱向線重構槳葉表面。

為此，以修復后的水平剖分葉型線和原槳葉表面為基礎，進行擬合，形成多條葉型的縱向樣條曲線。分別以修復后的水平剖分葉型線、前后緣縱向線和葉型縱向樣條曲線為基礎，重構槳葉表面以及前后緣面，如圖4所示。以重構后螺旋槳所有槳葉表面為基礎，可以重構精度較好的螺旋槳槳葉三維幾何模型。

2.4 槳葉面的網格劃分

如圖5所示，重構后的螺旋槳槳葉表面可以進行網格劃分，螺旋槳的前后緣部分在幾何模型的轉化和重構中出現的失真問題得到解決；槳葉表面的網格在重構面和原表面之間過渡連續較好，網格質量較高，滿足后續的數值計算需要。

3 結論

（1）對于螺旋槳槳葉一類自身扭轉程度較大的大曲率幾何體三維模型，在GAMBIT、ICEM等前處理軟件中進行轉化重構過程中，容易出現幾何模型變形和失真問題；尤其是大曲率幾何體的前后緣部位，出現變形和失真程度較大，需要對其修復。

（2）對螺旋槳槳葉的剖分，刪除出現變形和失真問題的槳葉型面，修復前后緣型線，利用葉型線的修復，結合水平縱向葉型線重構槳葉葉型，較好地修復螺旋槳槳葉幾何模型，保證了槳葉模型的質量，滿足后續計算流體力學分析和有限元分析的精度需要。

參考文獻

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