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基于逆向工程的涡轮增压器涡轮级三维模型设计 |
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作者： |
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在汽车发动机行业中，涡轮增压器由于具有改善汽车发动机尾气排放污染。提高发动机的功率和质量比，提高发动机的扭矩特性，降低燃油消耗和发动机噪声等优点．已经成为现代汽车和工程机械的主要部件。而在涡轮增压器中。无叶喷嘴涡轮的涡轮增压器由于具有在宽广的转速范围内效率变化小．结构简单，便于维护，成本低等优势，得到了广泛的应用。以往针对压气机的研究居多．对于涡轮级则相对落后，但是这种情况正在发生变化，涡轮级相关的研究正越来越受到业界的重视。对于涡轮级的研究。当前广泛采用CFD技术进行研究．这就要求涡轮级三维CAD模型具有足够的准确度。否则会影响CFD模拟计算的结果和精度。进而影响新产品的设计周期和现有产品完善程度。对于制造商而言，希望在最短的时间内改善原有产品，使之在同类产品中更具竞争力。
逆向工程是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上可对已有产品进行解剖、深化和再创造。随着计算机技术特别是计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用．逆向工程得到了不断发展，现已广泛地应用于产品的改进、创新设计，特别是对于具有复杂曲面外形的产品。它极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度，是消化、吸收先进技术，创新开发各种新产品的重要手段。尤其在形状复杂的物体或由自由曲面组成的物体的开发研制中，逆向工程是缩短产品开发周期，实现快速制造的途径之一。
笔者正是运用逆向工程技术对车用涡轮增压器涡轮级进行重构，以获取足够精度的三维CAD模型．为后续CFD的准确计算作铺垫。
1 涡轮级事物分析
一个完整的逆向工程流程，主要包括实物模型分析、数据采集与处理及曲面重构3格主要部分。图1为涡轮级的实物模型。从图中可以看粗涡轮级包括涡轮和涡壳两部分。所以要完成涡轮级的三维CAD模型，必须对两部分分别进行逆向操作，最后进行装配。具体流程见图2。
图1 涡轮级的实物模型
图2 涡轮级反求的流程图
2 涡轮和涡壳点云图的获取
使用3DSS-MINI-II三维扫描仪分别对涡轮和涡壳进行扫描。扫描之前，需要在实体表面的特征位置布置特征点作为公共参考点，这样在扫描的过程中，可以通过改变实体放置角度。使光栅能够对所有曲面进行扫描，然后通过这些点把每一块的扫描结果合并为一体。由于扫描的结果是获得曲面上的大量的"点云"，所以需要对点云进行处理。去除坏点最后得到轮廓图。对于涡轮，由于其叶片是对称的。所以只需对其中两个相邻的叶片进行扫描．结果见图3，涡壳扫描后的点云见图4。点云图结果以STL文件格式输出。
图3 涡轮的点云图 图4 涡壳的点云图
3 涡轮和涡壳的曲线构建
将ICES文件调入UG Imageware后。以点为依据，系统会自动插值出一条扫描曲线，在此基础上创建便于修改的样式曲线。图5和图6分别为提取的几条主要特征线的正式样曲线。曲线分析主要通过"曲率梳"来形象地显示其光顺性，曲线的修改主要通过插补点对曲线的控制多边形进行动态修改，以保证曲线的光顺性。
图5 叶片的特征曲线 图6 涡壳的特征曲线
4涡轮级的曲面重构
曲面重构在逆向工程以及相关领域内相当活跃。参数曲面在跨界连续性、曲面约束及局部控制方面的良好表现被普遍应用于曲面拟合中。根据数据点的空间拓扑形式，参数曲面重构一般可分为矩形域曲面重构和三角域曲面重构。通常，矩形域曲面重构采用NURBS、有理B样条、Bezier参数曲线曲面来表示，并要求处理的数据为四边域拓扑结构．而基于散乱数据的自由曲面重构则多采用三角域的拓扑结构。对于涡轮叶片，抽取了特征曲线后，采用NURBS方法进行重构，结果见图7。
底座则利用获得的模型关键特征曲线构造底座的三维模型。见图8。通过布尔操作将叶片与底座合并，并使用圆周阵列方法。将叶片数补足。得到图9所示的涡轮CAD模型。
对于涡壳的曲面重构采用与涡轮重构相同的方法。但是．由于涡壳内部流道是变截面、螺旋式的进气道，形状复杂，无法一次构建完成，所以采取将流道分成若干部分，分别构建，最后利用布尔操作将各部分合并，最终生成图10所示的涡壳CAD图。
图10 涡壳的CAD模型
5装配件的构建
在UG中。利用其零部件的装配功能将已创建的涡轮和涡壳模型，按照从实际模型上测量的装配间隙对涡轮及涡壳进行装配，最终得到的装配模型见图11。为了便于对涡轮级的实际流体区域进行CFD分析。对备份模型进行几何清理，得到图12的涡轮级计算域。
图11 组装后的三维CAD模型 图12 涡轮级流体区域CAD图
6总结
具体阐述了利用逆向工程技术对车用涡轮增压器涡轮级从实体到三维CAD模型的实现过程，其实施步骤可以概括为：
a．选用足够精度的三维立体扫描仪扫描模型点云图。
b．根据点云图抽取涡轮叶片及涡壳的关键特征曲线。
c。利用三维建模软件UG的曲面造型功能构建涡轮叶片三维模型及底座模型。
d．通过布尔操作将涡轮叶片与主体合并。并使用圆周阵列方法，将叶片数补足。
e．利用抽取的关键特征线生成涡壳三维模型。
f．在UG中。对已创建的涡轮、涡壳模型进行装配。(end)
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(4/4/2009) |
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