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(xué)分析的基礎(chǔ)，通過各種CAD、CAE軟件建模結(jié)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(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)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(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)的變形和失真問題，研究了一種基于葉型重構(gòu)的三維模型修復(fù)技術(shù)，實現(xiàn)了螺旋槳槳葉幾何模型的修復(fù)和利用。

關(guān)鍵詞：螺旋槳 葉型重構(gòu) 變形 失真

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

隨著現(xiàn)代計算機軟件、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元分析、計算流體力學(xué)成為當(dāng)今工程技術(shù)和科學(xué)研究的重要方法。在進行數(shù)值仿真時，常通過各種CAD、CAE軟件建模結(jié)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(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)重構(gòu)失敗、精度退化、細節(jié)處理變形等問題，造成轉(zhuǎn)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(nèi)學(xué)者們通常是手動修復(fù)模型，主要方法是將模型細節(jié)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(shù)值仿真得到的結(jié)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(zhuǎn)化過程中的問題，利用葉型剖分、修型以及曲面重構(gòu)等方法，研究了一種基于葉型重構(gòu)的三維模型修復(fù)技術(shù)，并很好地修復(fù)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(zhuǎn)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(guī)*.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(zhuǎn)化重構(gòu)過程中，均出現(xiàn)了只能生成三維幾何模型，但無法劃分網(wǎng)格的情況。

為此，該文對重構(gòu)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(fā)現(xiàn)：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(zhuǎn)化和重構(gòu)中發(fā)生了扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化和重構(gòu)中出現(xiàn)了失真。

2 基于葉型重構(gòu)的修復(fù)技術(shù)

2.1 槳葉前緣修復(fù)

在槳葉前緣的修復(fù)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(xiàn)重構(gòu)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(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)變形的水平剖分葉型線前緣進行修復(fù)時，以水平剖分葉型線上的點為基礎(chǔ)，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(fù)。

2.2 槳葉后緣修復(fù)

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

對所有葉高水平葉型線后緣水平型線進行樣條修復(fù)時，同樣以后緣線上的點為基礎(chǔ)，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(guān)鍵點為基礎(chǔ)，重構(gòu)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(fù)。

2.3 槳葉面的重構(gòu)

以修復(fù)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(chǔ)，對槳葉表面進行重構(gòu)。但槳葉表面的扭轉(zhuǎn)程度隨著葉高的增加而加劇，難以利用修復(fù)后的水平剖分葉型線和前后緣縱向線重構(gòu)槳葉表面。

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

2.4 槳葉面的網(wǎng)格劃分

如圖5所示，重構(gòu)后的螺旋槳槳葉表面可以進行網(wǎng)格劃分，螺旋槳的前后緣部分在幾何模型的轉(zhuǎn)化和重構(gòu)中出現(xiàn)的失真問題得到解決；槳葉表面的網(wǎng)格在重構(gòu)面和原表面之間過渡連續(xù)較好，網(wǎng)格質(zhì)量較高，滿足后續(xù)的數(shù)值計算需要。

3 結(jié)論

（1）對于螺旋槳槳葉一類自身扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化重構(gòu)過程中，容易出現(xiàn)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(xiàn)變形和失真程度較大，需要對其修復(fù)。

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

參考文獻

[1] 周長悅，秦浩，董明明.直升機振動響應(yīng)與重心的關(guān)系研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2017，28（1）：36-41.

[2] 蕭秋庭.直升機旋翼陣風(fēng)響應(yīng)研究[J].飛行力學(xué)，1994，12（4）：8-13.

[3] 黃麗.基于CFD軟件的三維船體粘性流的數(shù)值模擬[J].廣東造船，2011，30（3）：41-42，62.

[4] 石博文，劉正江，張本輝.基于CFD的船舶頂浪遭遇畸形波數(shù)值模擬[J].中國航海，2016，39（3）：59-62，113.

[5] 王曉燕，李婷婷.基于CFD的雙體船航行阻力研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（5A）：4-6.