渦輪葉片曲面重構(gòu)與流體動力學(xué)數(shù)值分析*

周承號,王家興,宋嘉程,王 健,劉千禧,叢家慧

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110036)

引言

逆向工程是上世紀80 年代末期發(fā)展起來的一種先進的制造技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于航空類、汽車類、工業(yè)仿形、禮品設(shè)計、結(jié)構(gòu)開發(fā)等,甚至還應(yīng)用在軟件開發(fā)領(lǐng)域[1]。廣義的逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等諸多方面,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前,有關(guān)逆向工程的研究主要集中在形狀反求方面[2]。用一定的測量手段對實物或者模型進行測量,根據(jù)測量的數(shù)據(jù)采用三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD 模型的過程,是一個從樣品生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)字化信息模型,并在此基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及加工制造的全過程。與其相適應(yīng)的快速成型工藝作為一項新興的全新概念的加工方法,實現(xiàn)了高度柔性,高度集成性[3]。

作為先進制造技術(shù)的一個重要組成部分,反求工程已經(jīng)成為實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和快速開發(fā)的重要技術(shù)手段[4]。反求工程與CAD 混合建模以實現(xiàn)自由曲面的重構(gòu),與傳統(tǒng)的CAD 建模不同,以服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn),特別是機械零件制造為目的的反求建模更加強調(diào)重建模型的幾何精確性、完整性以及拓撲一致性,其中復(fù)雜曲面的CAD 模型重建是反求工程模型重建研究的重點。葉片是航空發(fā)動機的核心部件,曲面形狀復(fù)雜,并且容易產(chǎn)生各種缺陷,生命周期短,維護費用高[5]。因此,本文從渦輪葉片的曲面重構(gòu)技術(shù)入手,對渦輪葉片進行反求,通過掃描受損葉片擬合成滿足要求的CAD 模型,為受損葉片的加工修復(fù)和再制造提供技術(shù)支持。

1 點云數(shù)據(jù)處理及曲面重構(gòu)

通過對實際零件進行測量,根據(jù)測量所獲得的不完全信息為設(shè)計制造出發(fā)點,通過對原始設(shè)計參數(shù)的還原,通過對比分析以獲得精確的重構(gòu)模型。

基于Geomagic 逆向軟件的處理步驟如下：

(1)采集點云數(shù)據(jù),采用的是Hexagon 的Romer RA7 320 系列的關(guān)節(jié)臂三坐標測量儀掃描點云。

(2)降噪處理,采集到的點云數(shù)據(jù)有很多冗余和噪聲,通過統(tǒng)一點處理和降噪處理得到網(wǎng)格面模型。

(3)填充缺損區(qū)域,對封裝擬合三角面的殘缺部分進行曲率填充。

2 三維實體重構(gòu)

進行葉片的曲面造型,單擊多截面曲面命令,依次選擇所有的光順曲線,首尾順次連接各個截面,設(shè)置所有的閉合點為所有光順曲線上的同一點,單擊預(yù)覽,查看是否形成整體曲面,若未形成整體曲面,則說明所以光順曲線的閉合點未在同一點,若形成整體曲面,則說明葉片曲面初步形成,單擊確定即可。

進行葉輪主體的逆向建模,首先找到最初建立的葉輪基準平面,對平面進行平行偏移處理,使得最新設(shè)計的葉輪基準平面與最初的葉輪基準平面無角度差,選擇點云網(wǎng)格葉輪主體相對平滑的部分作為偏移距離。完成葉輪點云網(wǎng)格線的建立。

進行葉輪1/4 主體的逆向建模,首先找到最初建立的垂直于葉輪基準面的平面,對平面進行旋轉(zhuǎn)處理,使得最新設(shè)計的葉輪垂直面基準平面與最初的葉輪垂直面基準平面通過葉輪中心的軸線,選擇點云網(wǎng)格葉輪主體相對平滑的部分作為旋轉(zhuǎn)角度。完成葉輪點云網(wǎng)格線的建立。

進行葉輪外圍機匣曲面的逆向建模,首先找到最初建立的垂直于葉輪基準面的平面,對平面進行旋轉(zhuǎn)處理,使得最新設(shè)計的葉輪垂直面基準平面與最初的葉輪垂直面基準平面通過葉輪中心的軸線,選擇點云網(wǎng)格葉輪主體相對平滑的部分作為旋轉(zhuǎn)角度。接著進入創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊,進行葉輪主體曲面設(shè)計,單擊掃掠命令,子類型選擇使用參考曲面,輪廓線為上一步設(shè)計的可編輯葉輪外圍機匣線,引導(dǎo)曲線為葉輪主體中心圓曲線,曲面為默認(平均平面),角度0°,脊線默認為葉輪主體最外圓曲線,邊界1/2 無選擇,角度修正設(shè)置為0.5deg,與引導(dǎo)曲線偏差設(shè)置為0.001mm,勾選移除預(yù)覽中的刀具選項,縮進2%,勾選填充自交區(qū)域選項,連接方式設(shè)置為自動,單擊預(yù)覽,確認曲面生成后,單擊確定。

至此,葉輪主體、葉輪機匣、葉片逆向建模完成。

3 葉片流體動力學(xué)數(shù)值分析

葉片的氣動性能直接和葉片翼型的外形有關(guān),一般翼型的外形和翼型的后端尖角、前端圓角、翼型的弦長、翼型的最大厚度、翼型的最大相對厚度、翼型中線最大彎度、翼型最大相對彎度和攻角有關(guān)[6]。根據(jù)無量綱處理的計算方法,一般翼型的升力系數(shù)CL 在0-1.6 之間,阻力系數(shù)CD 為CL 的1/30 左右屬于正常。根據(jù)飛機翼型在產(chǎn)生升力的同時也會產(chǎn)生阻力,在一定流速下,機翼的升力與阻力的比值稱為升阻比,升阻比越高,則說明該翼型的氣動效率越高,能在產(chǎn)生較大的升力的同時也產(chǎn)生較小的阻力。所以葉片的截面翼型同樣也試用,根據(jù)逆向所得的葉片翼型與最初掃描點所得的葉片翼型進行比較,得出最終結(jié)論。將逆向設(shè)計葉片翼型與點云網(wǎng)格面葉片翼型導(dǎo)出,應(yīng)用profili 軟件進行分析[7]。

(1)基于兩葉片的彎度信息與迎角變化分析兩葉片翼型的升阻比以及力矩系數(shù),通過相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來進行對比原始點云與逆向設(shè)計的葉片性能,在雷諾數(shù)為100000,兩葉片翼型的迎角0°-4°的時候,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比高于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明點云網(wǎng)格面翼型的氣動效率更高；當(dāng)雷諾數(shù)不變,兩葉片迎角在4°-8°之間時,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比低于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明逆向設(shè)計葉片翼型的氣動效率更高；當(dāng)雷諾數(shù)不變,兩葉片迎角在8°-10°之間時,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比高于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明點云網(wǎng)格面葉片翼型的氣動效率更高；當(dāng)雷諾數(shù)不變,兩葉片迎角在10°-13°之間時,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比低于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明逆向設(shè)計葉片翼型的氣動效率更高。而兩葉片的力矩系數(shù)Cm(負數(shù)),在0°-13°的范圍內(nèi),逆向設(shè)計葉片翼型一直高于點云網(wǎng)格面葉片翼型,說明逆向設(shè)計葉片翼型的風(fēng)能利用率高于點云網(wǎng)格面葉片翼型。

(2)基于兩葉片的厚度信息與迎角變化分析兩葉片翼型的升阻比以及力矩系數(shù),在雷諾數(shù)為100000,兩葉片翼型的迎角-3°-0°的時候,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比高于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明點云網(wǎng)格面翼型的氣動效率更高；當(dāng)雷諾數(shù)不變,兩葉片迎角在0°-7°之間時,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比低于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明逆向設(shè)計葉片翼型的氣動效率更高；當(dāng)雷諾數(shù)不變,兩葉片迎角在7°-10°之間時,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比與紅色逆向設(shè)計葉片翼型升阻比近似,說明兩葉片翼型的氣動效率近似；當(dāng)雷諾數(shù)不變,兩葉片迎角在10°-13°之間時,黑色點云網(wǎng)格面葉片翼型升阻比高于紅色逆向設(shè)計葉片翼型,說明點云網(wǎng)格面葉片翼型的氣動效率更高。而兩葉片的力矩系數(shù)Cm(負數(shù)),在-5°-10°的范圍內(nèi),逆向設(shè)計葉片翼型一直高于點云網(wǎng)格面葉片翼型,說明逆向設(shè)計葉片翼型的風(fēng)能利用率高于點云網(wǎng)格面葉片翼型。

綜上所述：逆向設(shè)計葉片翼型的升阻比在較大的迎角變化范圍內(nèi)略高于點云網(wǎng)格面葉片翼型,并且逆向設(shè)計葉片翼型的力矩系數(shù)高于點云網(wǎng)格面葉片翼型,說明逆向設(shè)計的葉片翼型的氣動效率與風(fēng)能利用率比目標產(chǎn)品的更好,也說明逆向設(shè)計的葉片翼型的彎度大于目標產(chǎn)品葉片翼型,氣動性能更好。

(3)基于雷諾數(shù)對兩葉片翼型進行分析

經(jīng)過單獨分析發(fā)現(xiàn),在同一升力系數(shù)下,雷諾數(shù)與阻力系數(shù)成正比,也就是說雷諾數(shù)越小,阻力系數(shù)越??；但雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的變化范圍成反比,雷諾數(shù)越小,阻力系數(shù)變化范圍越大。在固定的雷諾數(shù)變化范圍內(nèi)對兩葉片翼型進行對比分析時發(fā)現(xiàn),點云網(wǎng)格面葉片翼型的升阻比與力矩系數(shù)均低于逆向設(shè)計葉片翼型的升阻比與力矩系數(shù)。

綜合以上各類分析得出,逆向設(shè)計的葉片翼型的流體動力學(xué)數(shù)據(jù)均優(yōu)于目標產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)所反饋的流體動力學(xué)數(shù)據(jù),說明逆向工程的確可以設(shè)計出與目標產(chǎn)品的功能特性相類似,但又不完全相同的新產(chǎn)品,并且新產(chǎn)品的各項特性都較目標產(chǎn)品優(yōu)越。

4 結(jié)束語

本文通過最初的點云數(shù)據(jù)采集開始,經(jīng)過逆向工程點云處理對殘缺的點云進行補全再處理,然后將相對完整的點云數(shù)據(jù)通過工程文件轉(zhuǎn)換,導(dǎo)入專業(yè)的三維工程設(shè)計軟件CATIA 中,進行點云數(shù)據(jù)向曲線、曲面以實體的轉(zhuǎn)換。通過逆向模型與目標點云網(wǎng)格面的偏差分析,完成了曲面的精確實體的建立。最后利用CFD 軟件Fluent模塊下的Profili 翼型分析庫對初始目標產(chǎn)品點云網(wǎng)格面與最終的逆向模型進行流體動力學(xué)數(shù)值分析,此次分析利用翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比以及力矩系數(shù)作為依據(jù),對上述兩種葉片進行比較分析,得出逆向造型的葉輪葉片的流體動力學(xué)性能優(yōu)于最初的目標產(chǎn)品的結(jié)論。