基于UG的飞机发动机叶片造型的方法研究

作者：杨小斐 白万民

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 摘要：叶片是航空发动机的关键部件之一，针对其结构的复杂性和不规则性，介绍了基于UG 的飞机发动机叶片造型方法。指出了造型过程中的难点和重点问题是：如何使叶片剖面对应的样条曲线经放样后成为光滑曲面，以及阻尼台的造型方法。以某飞机发动机叶片为例，对叶片造型中的几个问题进行分析，验证了其造型方法的可行性。结果表明：应用UG 软件的曲面造型功能，使叶片的设计开发变得精确，进一步提高了叶片的设计效率和加工精度。 关键词：UG；叶片；阻尼台；曲面造型 1 引言 叶片作为航空发动机的关键部件之一，其特点是结构复杂，数量种类繁多。随着对发动机性能要求的提高，叶片的形状更趋复杂，加工更为精密，因此叶片的精确几何造型就成了叶片加工的必要前提。而叶片形状的不规则性及复杂性，使得叶片实体建模较一般实体造型更为复杂多变[1]。 UGNX 软件是集成机械化的CAD/CAM/CAE 软件，在复杂曲面造型、装配处理速度以及绘图效率等方面有很强的优越性，目前广泛用于航空、航天、汽车、模具、通用机械和家用电器等领域。UG软件在装配处理速度、复杂曲面造型以及绘图效率等功能方面有很大的优越性；同时UG所建立的3D 曲面模型，将成为整个设计生产流程的核心，它可以接受及输出完整的文件资料，对复杂曲面进行精确而完整的几何分析，这将为后续叶片的精确加工提供强有力的理论基础。 2 基于UG 的叶片造型 以某航空发动机叶片为例，它由叶身、榫头和阻尼台组成。叶身界面是具有一定弯度的叶型。各截面的形状和相对位置沿叶高是变化的并存在扭向。榫头是转子叶片与盘联结和承力的重要部位，而阻尼台则是在转子叶片叶身( 一般叶片较大或较长) 叶身中部凸出的用于阻尼叶片振动的凸台。在确定造型方案时，将叶片分为叶身、榫头和阻尼台三部分分别造型[2]。 2.1 叶片的原始造型数据 叶片几何造型实质就是要找到一种数学方法来描述叶片曲面，该方法既能有效地满足形状表示和几何设计要求，又便于形状信息和产品资料交换。几何造型用的叶片原始资料是根据流体力学原理计算出来的沿叶高方向上的截面型值点数据[3]。 2.2 叶身的造型 2.2.1 基准面的选择 由于给定的原始数据在截面内不能简单地表示成单值函数，加之所给的叶片截面离散点数据是相对于整个叶片的，所以要对给定的坐标系进行调整，以便使叶片曲面实际建模时所采用的基准坐标系与工作坐标系保持一致。就叶身而言，各基准面之间是平行关系。 2.2.2 线条数据的处理 UG 软件可以直接从*.dat 文件中读入样条点的数据，所以先将设计所提供的叶身的离散点数据，编译成UG 所能识别的dat 的文件格式，存储在计算机里。使用UG软件的Spline(样条) 命令，将叶身的离散数据点拟合成光滑精确的闭合曲线，得到如图1 所示的曲线。 2.2.3 二维曲线的形成 根据所给数据，在所选定的基准面上做出一系列的点和曲线，因为封闭曲线的两端是两个不同半径的圆弧，所以如何形成光滑的、连续的封闭曲线是造型中的重点和难点。相对于前缘的曲率，叶片叶身的曲率几乎为零，叶片前端的局部可以简化为与圆弧相切的两条直线，如图所示。将两端圆弧与中间曲线连接，对圆弧进行修整剪切，再对连接的曲线进行光顺，形成封闭的曲线。如图3 所示，此为叶片一条剖面曲线。 2.2.4 叶片三维造型的实现 如前所述，叶片空间各截面的形状和相对位置随叶高是变化的。在利用UG 中自由曲面成型中的通过曲线( Through Curve) 功能将曲线拟合成曲面时，每条样条的切线方向必须相同，否则拟合成的曲面将会发生空间扭曲。若已经形成方向不一致的曲线，可用分割曲线的方法，在曲线上重新设立起始点，以改变起始点的方向，之后再进行合并。 整个叶片的曲面拟合是在光滑拟合曲线的基础上进行的，大致可分为两个过程。 ( 1) 基本拟合。通过选择叶片曲线，生成过这些样条曲线的曲面，然后加密曲面网格，以观察曲面上曲率的变化情况。如果叶片曲面曲率变化不理想，需要重新选择样条曲线，再次拟合直到曲面形状比较理想为止。 ( 2) 局部修改调整。如果拟合曲面上出现不光滑的凹凸现象，这时应找出不正常区域附近的曲线，通过调整拟合该曲线的个别点，重新拟合曲线，曲面。反复观察调整，直至曲面图象满意为止。图4 为利用UG 生成的叶身三维造型图。 2.3 阻尼台的造型 在阻尼台的造型中，可采用实体切割的方法。考虑到阻尼台与叶身的相对位置关系，首先应根据设计数据及阻尼台与叶身的相对位置关系确立出阻尼台的基准平面。创建一个实体，用前面所建立的基准平面去切割实体，得到阻尼台的大致形状。在造型时引进叶身，用叶身来确定阻尼台的空间位置，利用UG 中的软倒圆功能在阻尼台和叶身之间形成过度渡圆角。 根据设计要求和数据要求，对阻尼台的基本形造型进行倒圆、倒角等细节处理，得到符合设计要求的阻尼台。如图5所示。 2.4 榫头造型的实现 在进行榫头造型时，考虑到榫头形状、榫头与叶身的相对位置关系、榫头在轮盘上的安装位置以及榫头的设计形状是圆台的一部分这些因素，首先，根据设计数据以及榫头与叶身之间相对位置关系确定出压气机轴所在基准面位置，并在此基准面上画出压气机轴。然后，根据压气机轴与榫头底面中心线之间的相对位置关系确定出圆台两端面圆的圆心位置，再通过基体放样便可得圆台。最后，将圆台依照如下过程处理：选择基准面—绘制草图—凸台拉伸—凸台上选一面作为基准面—绘制草图—切除多余部分，完成榫头造型。 依照设计要求及技术要求，将叶身与榫头的造型完成后，将所有细节进行处理，如倒圆、倒角和过渡型面，最后得叶片实体图( 如图6 所示) 。 3 叶片三维造型的技术难点 由于给定的离散点数据排列不规则，在利用Through Curve功能进行曲面造型前需要先将离散数据通过插值算法规则化，形成剖分网格，然后再利用双三次B 样条来拟合扭曲叶片表面。其优点是构造简单、算法简洁、几何意义明确，能够准确地求出特定X、Y坐标下的Z 值。 设区间[a，b]划分形式如下： 由式( ) 可知，对应于以上划分区间的三次样条插值函数可表示 对于如下边界条件：给定两边界结点处的一阶导数y' =f'( x0) ，yn'=f'( xn) ，并要求s( x) 满足 由方程组( 5) 解出C1，C2，... ，Cn+1，再由式( 4) 计算出C0 和Cn+1，把所得的系数代入式( 2) 就得到关于上述边界条件的三次样条插值函数s( x) 。 在XOY平面上定义一矩形区域R：[a，b]×[c，d]。 在X轴和Y轴上分别取 △' y：c=y0 < y1 < y2 < L < ym = d △' x：a=x0 < x1 < x2 < L < xm = b 由此得到一个区域R 上的矩形网格剖分。网格中网线交点为剖分节点，依据这些节点可以生成B 样条曲面的控制顶点[4]。 将上述剖分△' x 和△' y 代入( 2) 式所示的三次插值样条函数中，分别解出整个剖网格的节点数据系数c，以c 作为B 样条曲面的控制点，利用曲面拟合即可得出整个叶型的双三次样条逼近曲面。 通过UGNX 自由形状功能中的Through Curve 功能可以拟合出整个叶片的空间曲面，由于造型时使用的剖分网格比实际叶面可能要大一些，所以在必要时需进行边界处理和光滑。 4 结束语 基于UGNX的自由曲面造型功能，对所提供的叶片原始离散点数据进行了处理，然后采用样条拟合方式建立了叶片型面的空间样条曲线模型，基于此模型，再来构造叶片空间型面、阻尼台以及叶片榫头的空间造型。结果表明应用UG 软件的曲面造型功能，使叶片的设计开发变得精确，进一步提高了叶片的设计效率和加工精度。 参考文献 1 宋兆泓. 航空发动机典型故障分析. 北京：航空航天大学出版社，1993 2 航空制造工程总编委会. 航空制造工程手册. 北京：航空工业出版社，1998 3 朱心雄自由曲面造型技术北京科学出版社，2000 4 颜庆津数值分析北京北京航空航天大学出版社，2000(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/9/2010)