一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法，属于计算机辅助建模领域，包括：导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的坐标点；将多个翼型的外形轮廓的坐标点导入到三维建模软件中，形成多个翼型截面的样条曲线，将多个样条曲线相互连接并通过缝合形成叶片的三维模型；找出多个样条曲线的中间拱弧线，通过连接多个中间拱弧线生成叶片几何厚度上的中间平面；以中间平面作为基准进行复合材料铺层，采用拉伸算法将铺层后的中间平面生成叶片的复合材料实体模型；利用叶片的三维模型对叶片的复合材料实体模型进行切割及修正，生成基于复合材料的轴流压气机叶片三维模型。该方法可以快速的对带有一定扭角的叶片进行复合材料的铺层设计。合材料的铺层设计。合材料的铺层设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法


[0001]本专利技术属于计算机辅助
，具体涉及一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法。

技术介绍

[0002]复合材料最基本的单元是铺层，铺层是复合材料的一层单向带或织物形成的复合材料单向层，一般有两层或多层压制而成。复合材料可以通过调整铺层的方向以改变弹性模量和强度，从而提高叶片的使用强度。
[0003]目前，国内在压气机叶片结构设计方面，还没有系统的铺层建模方法，只是根据某一种型号的模型有着一定的铺层方法，没有形成系统化。因为压气机叶片截面复杂，不同型号叶片的弦长、扭角、翼型均是不相同的，随着铺层纤维层机构更加复杂，不同的铺层角、铺层顺序及铺层厚度，使得复合材料的叶片建模极为的复杂。
[0004]目前，国内在轴流压气机叶片的复合材料的铺层建模上还没有一种可靠的设计方式。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法，包括以下步骤：
[0008]导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的坐标点；
[0009]将多个翼型的外形轮廓的坐标点导入到三维建模软件中，形成多个翼型截面的样条曲线，将多个样条曲线相互连接并通过缝合形成叶片的三维模型；
[0010]找出多个样条曲线的中间拱弧线，通过连接多个中间拱弧线生成叶片几何厚度上的中间平面，并对中间平面进行网格划分；
[0011]以网格划分后的中间平面作为基准铺设复合材料，形成复合材料铺层，采用拉伸算法将铺层后的中间平面生成叶片的复合材料实体模型；
[0012]利用所述叶片的三维模型对所述叶片的复合材料实体模型进行切割及修正，生成基于复合材料的轴流压气机叶片三维模型。
[0013]优选地，所述导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的坐标点，具体包括以下步骤：
[0014]通过翼型设计软件Profili插值计算并导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的二维坐标点；
[0015]通过翼型的坐标变换公式，将二维坐标转化为翼型的三维坐标；
[0016]将翼型的三维坐标数据保存为TXT格式的文件。
[0017]优选地，所述翼型的坐标变换公式为：
[0018](x1,y1)＝(x0,y0)
‑
(X,Y)
[0019]x2＝x1×
c
×
cosθ
‑
y1×
c
×
sinθ
[0020]y2＝y1×
c
×
cosθ
‑
y1×
c
×
sinθ
[0021]z2＝r
[0022]式中，(x0,y0)为翼型的原始坐标，(X,Y)为轮毂与弦线的相交坐标，(x1,y1)为变换之前翼型的二维坐标，(x2,y2,z2)为变换之后翼型的三维坐标，c为各翼型截面的弦长，θ为各翼型截面的扭角，r为翼型截面到叶根的距离。
[0023]优选地，在三维建模软件SOLIDWORKS中构建所述叶片的三维模型，具体包括以下步骤：
[0024]将TXT文件通过XYZ点曲线的方式导入到SOLIDWORKS中，生成多个翼型截面的样条曲线；
[0025]对多个样条曲线采用放样曲线的命令，生成叶片的基本模型；
[0026]通过填充曲线命令将叶片的叶根和叶尖的曲线进行填充形成截面；
[0027]将填充后的截面通过缝合曲面命令进行缝合，生成完整的叶片的三维模型。
[0028]优选地，在三维建模软件SOLIDWORKS中生成所述叶片几何厚度上的中间平面，具体包括以下步骤：
[0029]在SOLIDWORKS中分别找出多个翼型截面的样条曲线的中间拱弧线，从而在每个翼型截面的样条曲线中都能够得到一条从前缘到尾缘的连线；
[0030]根据多条连线生成面，此面则为叶片几何厚度上的中间平面；
[0031]对叶片几何厚度上的中间平面进行网格划分形成中面网格。
[0032]优选地，在有限元分析软件ANSYS WORKBENCH中生成所述叶片的复合材料实体模型，具体包括以下步骤：
[0033]在ANSYS WORKBENCH中，采用ACP模块，将网格划分后的的中间平面作为铺层的基准；
[0034]在ACP模块中根据材料及铺层方案设置纤维Fabric和层合板Stackups，坐标系Rosettes选用随边坐标系；在叶片几何厚度上的中间平面上指定参考点，以单元的法向方向Z为铺敷方向，从叶片的中间面向吸力面和压力面两个相反的方向分别进行纤维布的铺设；其中X方向为复合材料厚度的铺层方向，Y方向为方向选择集的参考方向，即0度的铺层方向；
[0035]将铺层基元Stackups进行堆叠生成建模组合Modeling group，然后根据中面网格和复合材料的铺层定义信息、采用拉伸算法生成叶片的复合材料实体模型。
[0036]优选地，在有限元分析软件ANSYS WORKBENCH中生成所述基于复合材料的轴流压气机叶片三维模型，具体包括以下步骤：
[0037]将所述叶片的三维模型导入到Geometry模块中生成虚拟几何模型Virtual Geometries；所述Geometry模块属于ANSYS WORKBENCH的复合材料分析的前处理模块ACP
‑
pre；
[0038]使用虚拟几何模型Virtual Geometries，采用cut
‑
off命令对所述叶片的复合材料实体模型进行切割，得到切割后的叶片的复合材料实体模型；
[0039]导入完整的叶片的三维模型轮廓，采用Snap命令将所述切割后的叶片的复合材料
实体模型贴附于完整的叶片模型轮廓上，得到所述基于复合材料的轴流压气机叶片三维模型。
[0040]本专利技术提供的基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法具有以下有益效果：
[0041]通过对叶片几何厚度上的中间平面进行网格划分后，通过拉伸算法生成叶片的复合材料实体模型，简单快速，方便便捷，同时可以保证一定的精度，确保了计算结果的可靠性；将叶片的三维模型与叶片的复合材料实体模型相结合，可以快速的对带有一定扭角的叶片进行复合材料的铺层设计，快速便捷，大大缩短了建模时间，同时提高了计算精度。
附图说明
[0042]为了更清楚地说明本专利技术实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本专利技术的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1为本专利技术实施例1的基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法的流程图；
[0044]图2为轴流压气机叶片多个翼型截面的示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的坐标点；将多个翼型的外形轮廓的坐标点导入到三维建模软件中，形成多个翼型截面的样条曲线，将多个样条曲线相互连接并通过缝合形成叶片的三维模型；找出多个样条曲线的中间拱弧线，通过连接多个中间拱弧线生成叶片几何厚度上的中间平面，并对中间平面进行网格划分；以网格划分后的中间平面作为基准铺设复合材料，形成复合材料铺层，采用拉伸算法将铺层后的中间平面生成叶片的复合材料实体模型；利用所述叶片的三维模型对所述叶片的复合材料实体模型进行切割及修正，生成基于复合材料的轴流压气机叶片三维模型。2.根据权利要求1所述的基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法，其特征在于，所述导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的坐标点，具体包括以下步骤：通过翼型设计软件Profili插值计算并导出轴流压气机叶片多个翼型的外形轮廓的二维坐标点；通过翼型的坐标变换公式，将二维坐标转化为翼型的三维坐标；将翼型的三维坐标数据保存为TXT格式的文件。3.根据权利要求2所述的基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法，其特征在于，所述翼型的坐标变换公式为：(x1,y1)＝(x0,y0)
‑
(X,Y)x2＝x1×
c
×
cosθ
‑
y1×
c
×
sinθy2＝y1×
c
×
cosθ
‑
y1×
c
×
sinθz2＝r式中，(x0,y0)为翼型的原始坐标，(X,Y)为轮毂与弦线的相交坐标，(x1,y1)为变换之前翼型的二维坐标，(x2,y2,z2)为变换之后翼型的三维坐标，c为各翼型截面的弦长，θ为各翼型截面的扭角，r为翼型截面到叶根的距离。4.根据权利要求3所述的基于复合材料的轴流压气机叶片设计方法，其特征在于，在三维建模软件SOLIDWORKS中构建所述叶片的三维模型，具体包括以下步骤：将TXT文件通过XYZ点曲线的方式导入到SOLIDWORKS中，生成多个翼型截面的样条曲线；对多个样条曲线采用放样曲线的命令，生成叶片的基本模型；通过填充曲线命令将叶片的叶根和叶尖的曲线进行填充形成截面；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志远，王军利，冯钰茹，李金洋，张宝升，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：