李 強(qiáng)，劉海初，黃 勇

(新疆工程學(xué)院 機(jī)械工程系，新疆 烏魯木齊 830011)

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葉片零件的逆向設(shè)計(jì)與分析*

李 強(qiáng)，劉海初，黃 勇

(新疆工程學(xué)院 機(jī)械工程系，新疆 烏魯木齊 830011)

針對(duì)復(fù)雜曲面類零件的設(shè)計(jì)，研究采用逆向設(shè)計(jì)與有限元分析相結(jié)合的方法。以葉片零件為例，對(duì)其進(jìn)行三維掃描、數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。研究結(jié)果表明，采用逆向設(shè)計(jì)方法能夠極大地加快設(shè)計(jì)速度，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

逆向設(shè)計(jì)；有限元分析；復(fù)雜曲面

1 逆向設(shè)計(jì)

葉片是一種設(shè)計(jì)難度很大的零件，設(shè)計(jì)方法通常有2種：1)做出符合要求的參數(shù)曲線，再根據(jù)曲線做出葉片曲面；2)采用逆向設(shè)計(jì)的方法，對(duì)現(xiàn)有葉片模型進(jìn)行分析改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)更趨優(yōu)化。

逆向設(shè)計(jì)是采用一定的測(cè)量方法對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)采用三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過程；是一個(gè)從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)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(shù)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)方法有所不同，它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型來構(gòu)造產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)模型或概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化分析和再創(chuàng)造，是對(duì)已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)[2]。正向工程與逆向工程設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 正向工程與逆向工程設(shè)計(jì)流程

本文采用逆向設(shè)計(jì)的方法來進(jìn)行葉片零件設(shè)計(jì)。葉片零件表面主要由自由曲線、曲面構(gòu)成，使用正向設(shè)計(jì)很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用逆向設(shè)計(jì)的方法，是先根據(jù)葉片原型進(jìn)行三維掃描，測(cè)量模型數(shù)據(jù)；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成數(shù)值化模型；接著對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)有限元分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；最后利用數(shù)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(zhì)量很好。產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)過程分為4個(gè)階段：數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段、模型分析改進(jìn)階段和制造加工階段[3]。

2 逆向設(shè)計(jì)過程

2.1 三維掃描儀模型數(shù)據(jù)采集

本研究使用光學(xué)三維掃描儀(見圖2)對(duì)葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其工作原理基于相位光柵投影的結(jié)構(gòu)光法和光學(xué)式測(cè)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(cè)量工件表面，借助2個(gè)高解析度的CCD數(shù)碼相機(jī)，采用光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云[4]。

圖2 三維掃描儀系統(tǒng)圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的掃描的點(diǎn)云進(jìn)行準(zhǔn)確拼接，在掃描前，需要在葉片零件的表面上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)拼接時(shí)應(yīng)注意如下幾個(gè)問題：1)標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)貼在物體上平面區(qū)域；2)標(biāo)志點(diǎn)不應(yīng)貼在一條直線上；3)每相鄰兩次之間的公共標(biāo)志點(diǎn)至少為4個(gè)，由于圖像質(zhì)量、拍攝角度等多方面原因，有些標(biāo)志點(diǎn)不能正確識(shí)別，因而建議用盡可能多的標(biāo)志點(diǎn)，一般取6～8個(gè)即可。

掃描時(shí)，可以多次調(diào)整零件的方向和角度，但是應(yīng)注意角度不能過大，一般10°～20°為宜，保證把零件的每一個(gè)細(xì)節(jié)都掃描到。在每次掃描后，進(jìn)行一次拼接操作， 并將不符合要求的點(diǎn)云刪除掉。掃描

完畢后，將點(diǎn)云(見圖3)以asc格式保存。

圖3 掃描得到的葉片點(diǎn)云

2.2 三維數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)處理時(shí)，選擇使用Geomagic Studio軟件來構(gòu)建模型，并對(duì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。Geomagic Studio是美國(guó)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(duì)點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的軟件，從點(diǎn)云處理到三維曲面重建的時(shí)間通常只有同類產(chǎn)品的1/3。應(yīng)用Geomagic Studio軟件可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)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(gè)階段：點(diǎn)處理階段、多邊形處理階段和曲面階段。

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

a.將葉片的點(diǎn)云文件導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件。由于葉片由上、下2個(gè)面組成，掃描時(shí)也是對(duì)上、下2個(gè)面分別進(jìn)行掃描，生成了2個(gè)點(diǎn)云文件，因此，應(yīng)先將葉片上、下2個(gè)面的點(diǎn)云拼合到一起。選擇注冊(cè)下的手動(dòng)注冊(cè)，在對(duì)話框中選n點(diǎn)注冊(cè)，在定義集合中選擇葉片的一個(gè)點(diǎn)云文件為固定，另一個(gè)點(diǎn)云文件為浮動(dòng)；將上述2個(gè)窗口的點(diǎn)云選擇到相同方位，放大模型，在左、右窗口分別依次點(diǎn)擊3個(gè)相同點(diǎn)，進(jìn)行手工注冊(cè)(見圖4)；然后選擇所有點(diǎn)云進(jìn)行全局注冊(cè)、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象操作，就把點(diǎn)云拼合到一起了。

b.對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去除體外孤點(diǎn)、減少噪聲和采樣等操作來去除雜點(diǎn)。

c.對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝操作，把點(diǎn)云轉(zhuǎn)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(duì)多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順與優(yōu)化處理，并消除錯(cuò)誤的三角面。封裝完的葉片模型的邊界有些地方很不規(guī)則，可使用編輯邊界命令，使邊界規(guī)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(duì)所有孔進(jìn)行填充。然后對(duì)凹凸不平的地方進(jìn)行去除特征操作，再選擇網(wǎng)格醫(yī)生對(duì)模型的釘狀物等區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。由于填充孔時(shí)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(jiǎn)化多邊形、砂紙和松弛等操作實(shí)現(xiàn)多邊形的規(guī)則化，使模型表面更加光滑(見圖6)，為后續(xù)曲面模塊做好準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分割與曲面重構(gòu)，得到理想的曲面模型。具體步驟如下。

a.執(zhí)行探索輪廓線命令，編輯輪廓線。對(duì)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(shí)現(xiàn)。為了使輪廓平滑，可使用松弛輪廓線命令。

b.進(jìn)行構(gòu)造曲面片、移動(dòng)面板、修理曲面片和構(gòu)造柵格操作，使表面生成光順、稠密的曲面片。

c.進(jìn)行擬合曲面操作，使之成為一個(gè)NURBS曲面(見圖7)。

d.進(jìn)行3D比較，將生成的NURBS曲面與之前的三角面進(jìn)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(jìn)

通過逆向設(shè)計(jì)得到的葉片是否能夠符合實(shí)際的工作要求，還需要對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)的分析。本文應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。

2.3.1 網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入后選擇材料，進(jìn)行劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格采用四面體法，可以在關(guān)鍵區(qū)域使用曲度和近似尺寸功能自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格[6]。尺寸控制的平滑度為中級(jí)，生成網(wǎng)格如圖9所示。

圖9 生成網(wǎng)格

2.3.2 載荷和約束施加

在實(shí)際工作過程中，葉片在氣動(dòng)載荷和離心力的共同作用下，受力、變形情況復(fù)雜。由于葉片薄且狹長(zhǎng)，因此氣動(dòng)載荷不可忽略，還應(yīng)考慮離心力載荷。根據(jù)實(shí)際工作情況，添加轉(zhuǎn)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(jì)算及分析

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

圖11 等效應(yīng)力分布圖

葉片彈性應(yīng)變?nèi)鐖D12所示。由圖12可以看出，葉片彈性應(yīng)變的變化趨勢(shì)和等效應(yīng)力分布一致，變形的大小和應(yīng)力的大小成正比。

圖12 等效彈性應(yīng)變

綜上所述，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，減小葉片中部的受力。在結(jié)構(gòu)上，可以增加葉片中部的厚度和寬度，改進(jìn)葉片的葉型、前傾后彎角。

2.4 產(chǎn)品模型制造加工

在Geomagic Studio軟件中生成的模型數(shù)據(jù)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(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。產(chǎn)品定型后，可以通過快速成型或者數(shù)控加工的方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制造加工[7]。

3 結(jié)語

逆向工程是一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，是一個(gè)認(rèn)識(shí)原型→再現(xiàn)原型→超越原型的過程。通過對(duì)現(xiàn)有模型的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和制造加工，能夠極大地加快設(shè)計(jì)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足產(chǎn)品快速更新?lián)Q代的要求。

[1] 金濤，童水光. 逆向工程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 張學(xué)昌. 逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[3] 劉偉軍，孫玉文. 逆向工程原理、方法及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 許智飲，等. 逆向工程技術(shù)三維激光掃描測(cè)量[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2001,34(3):404-407.

[5] 王霄. 逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6] 買買提明·艾尼，陳華磊. ANSYS WORKBENCH 14.0仿真技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

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

* 新疆工程學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(2014xgy201612)

責(zé)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(qiáng)(1980-)，男，講師，主要從事數(shù)控加工、先進(jìn)制造等方面的研究。

2016-05-13