一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法技术

本发明专利技术公开了一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法，首先获取修补后破损叶片的三维几何模型，在破损位置均匀截取多个破损叶型并抽取叶型的破损中弧线；然后根据叶型修复参数，对破损中弧线进行修复并生成叶型缺失区域的重构曲线；接下来光顺连接破损叶型重构曲线和未损伤曲线，形成修复后的完整叶型；在获得完整叶型后，对完整叶型进行气动性能研究，若不满足气动要求，调整修复参数，重复上述步骤；最后将所有修复后满足气动要求的完整叶型拟合成三维模型即叶片三维重构模型。本发明专利技术适用于前、后缘破损的压气机叶片的模型重构，不受压气机叶片类型、破损位置和破损大小的限制，具有较强的通用性。具有较强的通用性。具有较强的通用性。

A blade model reconstruction method supporting aerodynamic performance optimization

【技术实现步骤摘要】
一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法


[0001]本专利技术属于航空发动机制造
，具体涉及一种叶片模型重构方法。

技术介绍

[0002]压气机叶片是航空发动机中最重要、使用最多的零件之一。叶片一般由钛合金、镍基高温合金制成，这些材料具有优秀的强度、抗腐蚀性和刚度，但是材料的特点以及自由曲面叶片复杂的制造工艺造成了叶片的成本非常高。由于长期工作在严苛的环境中，叶片会产生多种形式的损伤如裂缝、缺失等，无法继续使用。直接更换破损叶片会带来较高的成本，对叶片进行修复能够有效降低发动机的维护成本。
[0003]目前，常用的叶片修复方法是通过激光熔覆或摩擦焊等手段对缺失部分进行修补，但修补后的叶片还无法直接使用，需要通过铣削加工将修补区域的外形加工至设计要求。铣削加工的刀具轨迹是根据叶片三维模型生成的，经过服役和修补的叶片，其几何形状与理论模型已不再一致，理论模型不能用来生成叶片铣削加工时的刀具轨迹。因此，为了对修补叶片进行铣削加工，需要结合破损叶片实际形状重构叶片三维几何模型。
[0004]在重构叶片模型时值得注意的是，叶片模型破损位置的几何形状会影响模型的气动性能，尤其破损位置位于前缘时。同时，破损叶片重构模型的气动性能会影响修复叶片的气动性能和寿命，进一步影响发动机的气动性能和寿命。因此，为了保证修复后的叶片和维护后的发动机的性能和寿命，在重构破损叶片模型时，必须考虑重构模型的气动性能。叶片的气动性能由其几何形状决定。由于服役和修补过程，叶片发生了变形，气动性能最佳的叶片模型几何形状是未知的并且重新通过研究确定。在研究叶片气动性能时，常见的方法是先建立多个几何特征参数不同的叶片，然后通过实验或仿真的方式对叶片的气动性能进行测试，最后选出性能最佳的叶片。因此，在研究破损叶片重构模型气动性能时也需要建立多个破损区域几何形状不同的模型，这就需要重构方法具备两个功能：(1)能够补全破损叶片模型；(2)能够参数化的控制模型损伤区域的几何形状。然而现有方法只具备第一个功能，不具备第二个功能，均不能支持重构模型的气动性能优化。所以，针对模型重构问题，有必要开展相关研究，提出一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法，从而保证叶片重构模型的气动性能最佳，进一步使修复后的叶片和维护后的发动机的性能和寿命处于高水平状态。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法，首先获取修补后破损叶片的三维几何模型，在破损位置均匀截取多个破损叶型并抽取叶型的破损中弧线；然后根据叶型修复参数，对破损中弧线进行修复并生成叶型缺失区域的重构曲线；接下来光顺连接破损叶型重构曲线和未损伤曲线，形成修复后的完整叶型；在获得完整叶型后，对完整叶型进行气动性能研究，若不满足气动要求，调整修复参数，重复上述步骤；最后将所有修复后满足气动要求的完整叶型拟合成三维模型即叶片三维重构
模型。本专利技术适用于前、后缘破损的压气机叶片的模型重构，不受压气机叶片类型、破损位置和破损大小的限制，具有较强的通用性。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0007]步骤1：通过三维光学扫描仪获取经过修补的破损叶片三维几何模型；
[0008]步骤2：在叶片破损位置上均匀截取多个破损叶型并抽取叶型中弧线；
[0009]步骤3：根据叶型修复参数，对破损叶型中弧线进行参数化修复，然后根据理论叶型厚度分布规律和修复中弧线生成破损叶型缺失区域的重构曲线；
[0010]步骤4：光顺连接重构曲线和破损叶型未损伤区域的曲线，形成完整的修复叶型；
[0011]步骤5：对修复后的完整叶型气动性能进行评估，若不满足气动性能要求，则调整修复参数，返回步骤3；
[0012]步骤6、所有叶型均满足要求后，根据所有修复后的叶型，拟合三维模型即叶片重构模型。
[0013]进一步地，所述步骤3中叶型修复参数为：
[0014]通过内切圆法求取破损叶型中弧线型值点集合{O
i
}并拟合破损中弧线，假设已完成对中弧线的修复，定义以下修复参数：
[0015]1)摆动角α：d0处的切线与补全后扫描中弧线前缘点处切线的夹角，即插补直线偏转的角度总和，其中d0为扫描中弧线前缘侧的端点；
[0016]2)角度分辨率m：设线性插补时，相邻直线间夹角的单位角为γ，则γ＝α/m，即m是单位角的控制参数；
[0017]3)段数n：插补直线的数量；
[0018]4)角度分配数列{C
i
}：线性插补时，设第i段直线相对第i
‑
1段曲线偏转的角度为θ
i
，则C
i
＝θ
i
/γ且∑C
i
＝m，即第i段直线和第i
‑
1段直线间的夹角包含了C
i
个单位角，其中i取1
…
n；
[0019]5)过渡区域范围δ：中弧线上用于光顺连接重构曲线与未破损曲线的区间长度对应的曲线参数；
[0020]上述变量中，α和{C
i
}是控制破损中弧线缺失区域重构曲线形状的参数；m和n为修复精度的控制参数，其取值越大，插补精度越高；δ决定过渡区域范围大小；
[0021]进一步地，所述步骤3中弧线参数化修复过程如下：
[0022]设插补所得的破损中弧线缺失区域的型值点点列为{d
i
}，d
i
的坐标为(x
i
，y
i
，z
i
)，其中i＝1
…
n；d0为扫描中弧线前缘侧的端点，其坐标为(x0，y0，z0)，d0处扫描中弧线的切向量为v0＝(vx0，vy0，vz0)；
[0023]记破损中弧线缺失部分长度为S
ms
；将理论中弧线上对应于破损中弧线缺失部分的曲线等参数划分为n份，共n+1个点；记插补直线集合为{L
i
}，插补直线L
i
的长度为S
i
，方向向量为v
i
＝(vx
i
，vy
i
，vz
i
)；设垂直纸面向外的向量为f；插补时，首先以d0处扫描中弧线的切线L0和方向向量v0为基准，以d0为端点做线段L1，L1长度为S1，L1与L0的夹角为θ1；L1的另一个端点为插补所求的点d1，然后以d1为端点，L1为基准，重复上述步骤可以求得点d2；不断重复上述步骤，最终获得点列{d
i
}的所有点；插补过程中的直线夹角、直线长度与修复参数的关系如式(1)(2)所示，直线方向向量、插补点坐标的计算方法如式(3)(4)(5)所示；
[0024]其中L
i
和L
i
‑1之间的夹角θ
i
满足：
[0025][0026]直线L
i
的长度S...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：通过三维光学扫描仪获取经过修补的破损叶片三维几何模型；步骤2：在叶片破损位置上均匀截取多个破损叶型并抽取叶型中弧线；步骤3：根据叶型修复参数，对破损叶型中弧线进行参数化修复，然后根据理论叶型厚度分布规律和修复中弧线生成破损叶型缺失区域的重构曲线；步骤4：光顺连接重构曲线和破损叶型未损伤区域的曲线，形成完整的修复叶型；步骤5：对修复后的完整叶型气动性能进行评估，若不满足气动性能要求，则调整修复参数，返回步骤3；步骤6、所有叶型均满足要求后，根据所有修复后的叶型，拟合三维模型即叶片重构模型。2.根据权利要求1所述的一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法，其特征在于，所述步骤3中叶型修复参数为：通过内切圆法求取破损叶型中弧线型值点集合{O
i
}并拟合破损中弧线，假设已完成对中弧线的修复，定义以下修复参数：1)摆动角α：d0处的切线与补全后扫描中弧线前缘点处切线的夹角，即插补直线偏转的角度总和，其中d0为扫描中弧线前缘侧的端点；2)角度分辨率m：设线性插补时，相邻直线间夹角的单位角为γ，则γ＝α/m，即m是单位角的控制参数；3)段数n：插补直线的数量；4)角度分配数列{C
i
}：线性插补时，设第i段直线相对第i
‑
1段曲线偏转的角度为θ
i
，则C
i
＝θ
i
/γ且∑C
i
＝m，即第i段直线和第i
‑
1段直线间的夹角包含了C
i
个单位角，其中i取1
…
n；5)过渡区域范围δ：中弧线上用于光顺连接重构曲线与未破损曲线的区间长度对应的曲线参数；上述变量中，α和{C
i
}是控制破损中弧线缺失区域重构曲线形状的参数；m和n为修复精度的控制参数，其取值越大，插补精度越高；δ决定过渡区域范围大小。3.根据权利要求2所述的一种支持气动性能优化的叶片模型重构方法，其特征在于，所述步骤3中弧线参数化修复过程如下：设插补所得的破损中弧线缺失区域的型值点点列为{d
i
}，d
i
的坐标为(x
i
，y
i
，z
i
)，其中i＝1
…
n；d0为扫描中弧线前缘侧的端点，其坐标为(x0，y0，z0)，d0处扫描中弧线的切向量为v0＝(vx0，vy0，vz0)；记破损中弧线缺失部分长度为S
ms
；将理论中弧线上对应于破损中弧线缺失部分的曲线等参数划分为n份，共n+1个点；记插补直线集合为{L
i
}，插补直线L
i
的长度为S
i
，方向向量为v
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宝海，党稼宁，张莹，谭淼龙，张钊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：