上海模具設(shè)計(jì)培訓(xùn)基于UG的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片造型的方法研究

1、上海模具設(shè)計(jì)培訓(xùn)、基于UG的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片造型的方法研究 摘要：葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，針對(duì)其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不規(guī)則性，介紹了基于UG 的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片造型方法。指出了造型過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題是：如何使葉片剖面對(duì)應(yīng)的樣條曲線經(jīng)放樣后成為光滑曲面，以及阻尼臺(tái)的造型方法。以某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，對(duì)葉片造型中的幾個(gè)問題進(jìn)行分析，驗(yàn)證了其造型方法的可行性。結(jié)果表明：應(yīng)用UG 軟件的曲面造型功能，使葉片的設(shè)計(jì)開發(fā)變得精確，進(jìn)一步提高了葉片的設(shè)計(jì)效率和加工精度。 關(guān)鍵詞：UG；葉片；阻尼臺(tái)；曲面造型 1 引言 葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其特點(diǎn)（上海數(shù)控模具培訓(xùn)）是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量種

2、類繁多。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，葉片的形狀更趨復(fù)雜，加工更為精密，因此葉片的精確幾何造型就成了葉片加工的必要前提。而葉片形狀的不規(guī)則性及復(fù)雜性，使得葉片實(shí)體建模較一般實(shí)體造型更為復(fù)雜多變1。 UGNX 軟件是集成機(jī)械化的CAD/CAM/CAE 軟件，在復(fù)雜曲面造型、裝配處理速度以及繪圖效率等方面有很強(qiáng)的優(yōu)越性，目前廣泛用于航空、航天、汽車、模具、通用機(jī)械和家用電器等領(lǐng)域。UG軟件在裝配處理速度、復(fù)雜曲面造型以及繪圖效率等功能方面有很大的優(yōu)越性；同時(shí)UG所建立的3D 曲面模型，將成為整個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程的核心，它可以接受及輸出完整的文件資料，對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行精確而完整的幾何分析，這將為后續(xù)葉片的精

3、確加工提供強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。 2 基于UG 的葉片造型 以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，它由葉身、榫頭和阻尼臺(tái)組成。葉身界面是具有一定彎度的葉型。各截面的形狀和相對(duì)位置沿葉高是變化的并存在扭向。榫頭是轉(zhuǎn)子葉片與盤聯(lián)結(jié)和承力的重要部位，而阻尼臺(tái)則是在轉(zhuǎn)子葉片葉身( 一般葉片較大或較長(zhǎng)) 葉身中部凸出的用于阻尼葉片振動(dòng)的凸臺(tái)。在確定造型方案時(shí)，將葉片分為葉身、榫頭和阻尼臺(tái)三部分分別造型2。 2.1 葉片的原始造型數(shù)據(jù) 葉片幾何造型實(shí)質(zhì)就是要找到一種數(shù)學(xué)方法來描述葉片曲面，該方法既能有效地滿足形狀表示和幾何設(shè)計(jì)要求，又便于形狀信息和產(chǎn)品資料交換。幾何造型用的葉片原始資料是根據(jù)流體力學(xué)原理計(jì)算出來的沿葉高方向

4、上的截面型值點(diǎn)數(shù)據(jù)3。 2.2 葉身的造型 由于給定的原始數(shù)據(jù)在截面內(nèi)不能簡(jiǎn)單地表示成單值函數(shù)，加之所給的葉片截面離散點(diǎn)數(shù)據(jù)是相對(duì)于整個(gè)葉片的，所以要對(duì)給定的坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整，以便使葉片曲面實(shí)際建模時(shí)所采用的基準(zhǔn)坐標(biāo)系與工作坐標(biāo)系保持一致。就葉身而言，各基準(zhǔn)面之間是平行關(guān)系。 UG 軟件可以直接從*.dat 文件中讀入樣條點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以先將設(shè)計(jì)所提供的葉身的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，編譯成UG 所能識(shí)別的dat 的文件格式，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里。使用UG軟件的Spline(樣條) 命令，將葉身的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成光滑精確的閉合曲線，得到如圖1 所示的曲線。 根據(jù)所給數(shù)據(jù)，在所選定的基準(zhǔn)面上做出一系列的點(diǎn)和曲線，因?yàn)榉?/p>

5、閉曲線的兩端是兩個(gè)不同半徑的圓弧，所以如何形成光滑的、連續(xù)的封閉曲線是造型中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。相對(duì)于前緣的曲率，葉片葉身的曲率幾乎為零，葉片前端的局部可以簡(jiǎn)化為與圓弧相切的兩條直線，如圖所示。將兩端圓弧與中間曲線連接，對(duì)圓弧進(jìn)行修整剪切，再對(duì)連接的曲線進(jìn)行光順，形成封閉的曲線。如圖3 所示，此為葉片一條剖面曲線。 如前所述，葉片空間各截面的形狀和相對(duì)位置隨葉（上海機(jī)械模具培訓(xùn)）高是變化的。在利用UG 中自由曲面成型中的通過曲線( Through Curve) 功能將曲線擬合成曲面時(shí)，每條樣條的切線方向必須相同，否則擬合成的曲面將會(huì)發(fā)生空間扭曲。若已經(jīng)形成方向不一致的曲線，可用分割曲線的方法，在曲線

6、上重新設(shè)立起始點(diǎn)，以改變起始點(diǎn)的方向，之后再進(jìn)行合并。 整個(gè)葉片的曲面擬合是在光滑擬合曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，大致可分為兩個(gè)過程。 ( 1) 基本擬合。通過選擇葉片曲線，生成過這些樣條曲線的曲面，然后加密曲面網(wǎng)格，以觀察曲面上曲率的變化情況。如果葉片曲面曲率變化不理想，需要重新選擇樣條曲線，再次擬合直到曲面形狀比較理想為止。 ( 2) 局部修改調(diào)整。如果擬合曲面上出現(xiàn)不光滑的凹凸現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)找出不正常區(qū)域附近的曲線，通過調(diào)整擬合該曲線的個(gè)別點(diǎn)，重新擬合曲線，曲面。反復(fù)觀察調(diào)整，直至曲面圖象滿意為止。圖4 為利用UG 生成的葉身三維造型圖。 2.3 阻尼臺(tái)的造型 在阻尼臺(tái)的造型中，可采用實(shí)體切割的方

7、法?？紤]到阻尼臺(tái)與葉身的相對(duì)位置關(guān)系，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及阻尼臺(tái)與葉身的相對(duì)位置關(guān)系確立出阻尼臺(tái)的基準(zhǔn)平面。創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體，用前面所建立的基準(zhǔn)平面去切割實(shí)體，得到阻尼臺(tái)的大致形狀。在造型時(shí)引進(jìn)葉身，用葉身來確定阻尼臺(tái)的空間位置，利用UG 中的軟倒圓功能在阻尼臺(tái)和葉身之間形成過度渡圓角。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和數(shù)據(jù)要求，對(duì)阻尼臺(tái)的基本形造型進(jìn)行倒圓、倒角等細(xì)節(jié)處理，得到符合設(shè)計(jì)要求的阻尼臺(tái)。如圖5所示。 2.4 榫頭造型的實(shí)現(xiàn) 在進(jìn)行榫頭造型時(shí)，考慮到榫頭形狀、榫頭與葉身的相對(duì)位置關(guān)系、榫頭在輪盤上的安裝位置以及榫頭的設(shè)計(jì)形狀是圓臺(tái)的一部分這些因素，首先，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及榫頭與葉身之間相對(duì)位置關(guān)系確定出壓

8、氣機(jī)軸所在基準(zhǔn)面位置，并在此基準(zhǔn)面上畫出壓氣機(jī)軸。然后，根據(jù)壓氣機(jī)軸與榫頭底面中心線之間的相對(duì)位置關(guān)系確定出圓臺(tái)兩端面圓的圓心位置，再通過基體放樣便可得圓臺(tái)。最后，將圓臺(tái)依照如下過程處理：選擇基準(zhǔn)面繪制草圖凸臺(tái)拉伸凸臺(tái)上選一面作為基準(zhǔn)面繪制草圖切除多余部分，完成榫頭造型。 依照設(shè)計(jì)要求及技術(shù)要求，將葉身與榫頭的造型完成后，將所有細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，如倒圓、倒角和過渡型面，最后得葉片實(shí)體圖( 如圖6 所示) 。 3 葉片三維造型的技術(shù)難點(diǎn) 由于給定的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)排列不規(guī)則，在利用Through Curve功能進(jìn)行曲面造型前需要先將離散數(shù)據(jù)通過插值算法規(guī)則化，形成剖分網(wǎng)格，然后再利用雙三次B 樣條來擬合扭

9、曲葉片表面。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、算法簡(jiǎn)潔、幾何意義明確，能夠準(zhǔn)確地求出特定X、Y坐標(biāo)下的Z 值。 設(shè)區(qū)間a，b劃分形式如下： 由式( ) 可知，對(duì)應(yīng)于以上劃分區(qū)間的三次（上海模具培訓(xùn)）樣條插值函數(shù)可表示 對(duì)于如下邊界條件：給定兩邊界結(jié)點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)y' =f'( x0) ，yn'=f'( xn) ，并要求s( x) 滿足 由方程組( 5) 解出C1，C2，. ，Cn+1，再由式( 4) 計(jì)算出C0 和Cn+1，把所得的系數(shù)代入式( 2) 就得到關(guān)于上述邊界條件的三次樣條插值函數(shù)s( x) 。 在XOY平面上定義一矩形區(qū)域R：a，b×c，d。 在X軸和Y軸

10、上分別取 ' y：c=y0 < y1 < y2 < L < ym = d ' x：a=x0 < x1 < x2 < L < xm = b 由此得到一個(gè)區(qū)域R 上的矩形網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格中網(wǎng)線交點(diǎn)為剖分節(jié)點(diǎn)，依據(jù)這些節(jié)點(diǎn)可以生成B 樣條曲面的控制頂點(diǎn)4。 將上述剖分' x 和' y 代入( 2) 式所示的三次插值樣條函數(shù)中，分別解出整個(gè)剖網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)系數(shù)c，以c 作為B 樣條曲面的控制點(diǎn)，利用曲面擬合即可得出整個(gè)葉型的雙三次樣條逼近曲面。 通過UGNX 自由形狀功能中的Through Curve 功能可以擬合出整個(gè)葉片的空間曲面，由于造型時(shí)使用的剖分網(wǎng)格比實(shí)際葉面可能要大一些，所以在必要時(shí)需進(jìn)行邊