CN103902786B - 一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法，首先创建可参数化的伸根外形截面线组，其次得到辅助几何体，再创建桥接曲线，利用蒙皮法得到伸根外形的自由曲面，边界控制法得到伸根外形的其余平面，最后将形成的封闭伸根外形曲面体转化为实体，得到最终的伸根外形实体。通过上述方法将复杂的伸根外形造型问题转化为若干曲面造型问题，构建了辅助几何体，用来实现伸根外形曲面与榫头外形曲面在边界处G1连续，由于创建了可以参数化的伸根外形截面线，使得伸根外形设计更加科学合理，这使得本方法更加有利于应用于工程设计领域。

Description

一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法

技术领域

本发明涉及涡轮气冷动叶片伸根段外形设计领域，具体为一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法。

背景技术

航空发动机叶片是航空发动机的关键部件，具有结构复杂、品种多、数量大、对发动机性能影响大、设计制造周期长等特点。航空发动机叶片中以带气冷结构的涡轮动叶片最为复杂，它除了带有复杂的内腔结构外,在缘板和榫头之间还有一段伸根段结构。伸根段结构在设计中要综合考虑内腔气流量、强度、涡轮盘和榫头结构以及叶片重量等要素,是一个非常复杂繁琐的过程。

国内相关人员针对航空发动机叶片造型方法进行了广泛而深入研究，并且初步实现了涡轮叶片参数化设计方法。但是由于伸根外形空间结构复杂，通常上截面是多条曲线（直线）形成的截面形状，并自由过渡到榫头表面，并且通常要保证伸根外形表面曲面与榫头外形保证G1连续，所以伸根外形设计通常是复杂繁琐、反复修改的过程。现在有关学者利用能量法进行伸根外形设计，根据伸根内形进行偏置一定厚度得到，通过能量法控制创建引导曲线，保证伸根外形在顶截面处于叶身外形G1连续、在底截面处与榫头外形外表面G1连续，这样虽然在一定程度上保证了伸根外形数据的参数化，但其截面形状并不满足目前流行的伸根外形几何形状，另外该方法形成的伸根外形在表面曲面的连续性方面并不能得到很好的保证，曲率变化不受设计人员控制，所以伸根外形的设计数据很难精确提取和复用，通用性不高。

发明内容

技术方案

本发明的目的是针对现有叶片伸根外形研究不足的现状，提出一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法，通过对叶身外形截面线的偏置投影以及投影榫头外形相对棱边等曲线操作构造可以参数化的伸根外形截面线组，并以此拉伸得到构造伸根外形过程中需要的辅助几何体，然后创建桥接曲线组，约束桥接曲线组保证同时与辅助几何体外形曲面、榫头外形两侧平面G1连续；利用蒙皮法与边界控制法得到伸根外形的外形曲面，保证纵向部分的外形曲面同时与辅助几何体、榫头外形表面G1连续；最后将封闭的空间曲面组转化为实体，得到最终的伸根外形。该方法设计数据可以精确重用，设计过程简单有效，伸根外形曲面部分具有良好的光顺性，其余非曲面部分是严格的平面，且伸根外形与榫头外形在曲面拼接处的跨界切矢相等保证了伸根外形在实际中的应用效果，该设计方法适用于多种三维CAD软件平台，从而有效弥补了伸根外形现有研究的不足。

本发明的技术方案为：

所述一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：创建可参数化的伸根外形截面线组：

步骤1.1：向三维造型软件中导入叶身外形模型与榫头外形模型；所述叶身外形模型为叶身外形截面线通过蒙皮法生成的空间实体，所述叶身外形截面线为气动数据点通过样条曲线拟合形成的连续高次曲线，叶身外形截面线分为叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和尾缘曲线四段；榫头外形模型为通过截面拉伸形成的空间实体，其中榫头外形模型顶部截面是规则的矩形，L1为拉伸过程中榫头外形模型顶部截面的起始边，L2为拉伸过程中榫头外形模型顶部截面的终止边；

步骤1.2：在伸根外形的顶截面高度创建与榫头外形模型顶部截面平行的基准平面，将L1和L2在基准平面投影对应得到线stl1和stl2，将叶身外形底截面上的叶背曲线和叶盆曲线在基准平面投影对应得到曲线ybcur和ypcur，过榫头外形模型顶部截面形心在基准平面上的投影点，创建垂直于stl1的辅助中心线Refl1和垂直于stl2的辅助中心线Refl2；

步骤1.3：以投影曲线ybcur的始末点为两个插值参考点，根据投影曲线ybcur始末点各自的偏置值，采用线性插值方法插值计算出投影曲线ybcur其余型值点的偏置值，各个型值点按照得到的偏置值进行偏置，偏置方向为各个型值点在投影曲线ybcur上的主法线方向，得到叶背偏置曲线ybcur1；以投影曲线ypcur的始末点为两个插值参考点，根据投影曲线ypcur始末点各自的偏置值，采用线性插值方法插值计算出投影曲线ypcur其余型值点的偏置值，各个型值点按照得到的偏置值进行偏置，偏置方向为各个型值点在投影曲线ypcur上的主法线负方向，得到叶盆偏置曲线ypcur1；

步骤1.4：根据设计数据，等距偏置辅助中心直线Refl1，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Pl1；等距偏置辅助中心直线Refl1，得到与叶背偏置曲线ybcur1相交的直线Bl1；等距偏置辅助中心直线Refl2，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Pl2；等距偏置辅助中心直线Refl2，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Bl2；

步骤1.5：对stl1、Pl1、ypcur1、Pl2、stl2、Bl2、ybcur1、Bl1八条线进行修剪，得到封闭环的曲线组，在Pl1与ypcur1相交处进行倒圆处理得到连接圆弧s1，在ypcur1与Pl2相交处进行倒圆，得到连接圆弧s2；在Bl1与ybcur1相交处倒圆得到连接圆弧s3，在ybcur1与Bl2相交处倒圆得到连接圆弧s4；得到由首尾相连的12条线组成的可参数化的伸根外形截面线组{stl1、Pl1、s1、ypcur1、s2、Pl2、stl2、Bl2、s4、ybcur1、s3、Bl1}；

步骤2：得到辅助几何体：

以伸根外形截面线组为拉伸对象，基准平面法向为拉伸方向，拉伸得到辅助几何体B；

步骤3：创建桥接曲线：

以伸根外形截面组为上边界，以榫头外形模型顶部截面为下边界创建多条桥接曲线，桥接曲线两两之间不交叉；其中以榫头外形模型顶部截面的四个角点为下控制点，以对应的伸根外形截面组的四个角点为上控制点创建的四条桥接曲线是关键引导线，与线stl1相连的桥接曲线为关键引导线q1，q2，与线stl2相连的桥接曲线为关键引导线q3，q4；

步骤4：利用蒙皮法得到伸根外形的自由曲面：

以{Pl1、s1、ypcur1、s2、Pl2}形成的相切曲线串为第一截面线，以榫头外形模型顶部截面上与第一截面线同侧的棱边为第二截面线，以第一截面线和第二截面线之间的桥接曲线为引导脊线，采用蒙皮法创建伸根自由曲面F1，且自由曲面F1在第一截面线处与辅助几何体B之间G1连续，在第二截面线处与榫头外形模型之间G1连续；

以{Bl1、s3、ybcur1、s4、Bl2}形成的相切曲线串为第三截面线，以榫头外形模型顶部截面上与第三截面线同侧的棱边为第四截面线，以第三截面线和第四截面线之间的桥接曲线为引导脊线，采用蒙皮法创建伸根自由曲面F2，且自由曲面F2在第三截面线处与辅助几何体B之间G1连续，在第四截面线处与榫头外形模型之间G1连续；

步骤5：边界控制法得到伸根外形的其余平面：

以伸根外形截面线组为边界创建平面P1，以榫头外形模型顶部截面的四个棱边为边界创建平面P2，以stl1、L1、q1，q2为边界创建平面P3，以stl2、L2、q3，q4为边界创建平面P4；

步骤6：将由空间曲面F1，F2，平面P1，P2，P3，P4形成的封闭伸根外形曲面体转化为实体，得到最终的伸根外形实体。

有益效果

本发明的有益效果是，通过上述方法将复杂的伸根外形造型问题转化为若干曲面造型问题，构建了辅助几何体，用来实现伸根外形曲面与榫头外形曲面在边界处G1连续，由于创建了可以参数化的伸根外形截面线，使得伸根外形设计更加科学合理，这使得本方法更加有利于应用于工程设计领域。

附图说明

图号说明：

a-叶身外形实体；b-榫头外形实体；L1-榫头外形模型顶部截面的起始边；L2-榫头外形模型顶部截面的终止边；yp-叶身外形截面线叶盆曲线；yb-叶身外形截面线叶背曲线；

图1是导入的叶身外形、榫头外形模型。

图2是叶身外形截面线的四部分。

图3是叶身外形截面线、榫头外形棱边、参考中心线在指定平面的投影。

图4是叶身外形截面线不等距偏置得到的偏置曲线。

图5是对参截面线进行的修剪后得到的伸根外形原始截面线。

图6是进行四个倒圆处理后得到的伸根外形顶部最终截面线。

图7是以伸根外形顶部截面线为拉伸截面创建的辅助几何体B。

图8是创建的与辅助几何体和榫头外形对应曲面G1连续的桥接曲线q1、q2、q3、q4，以及q1、q2之间、q3、q4之间的桥接曲线。

图9是创建与榫头外形表面曲面和辅助几何体表面曲面伸同时G1连续的伸根自由曲面F1、F2。

图10是利用边界控制法创建伸根外形平面曲面P1、P2、P3、P4。

图11是生成的伸根外形实体。

具体实施方式

本实施例以某型叶片伸根外形参数化设计过程为例，本例的CAD软件设计环境为NX7.5软件。

步骤1：创建可参数化的伸根外形截面线组：

步骤1.1：向三维造型软件中导入叶身外形模型与榫头外形模型；所述叶身外形模型为叶身外形截面线通过蒙皮法生成的空间实体，所述叶身外形截面线为气动数据点通过样条曲线拟合形成的连续高次曲线，叶身外形截面线分为叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和尾缘曲线四段；榫头外形模型为通过截面拉伸形成的空间实体，其中榫头外形模型顶部截面是规则的矩形，L1为拉伸过程中榫头外形模型顶部截面的起始边，L2为拉伸过程中榫头外形模型顶部截面的终止边；如图1所示。

步骤1.2：在伸根外形的顶截面高度创建与榫头外形模型顶部截面平行的基准平面，将L1和L2在基准平面投影对应得到线stl1和stl2，将叶身外形底截面上的叶背曲线yp和叶盆曲线yb在基准平面投影对应得到曲线ybcur和ypcur，过榫头外形模型顶部截面形心在基准平面上的投影点，创建垂直于stl1的辅助中心线Refl1和垂直于stl2的辅助中心线Refl2；如图3所示。

步骤1.3：以投影曲线ybcur的始末点为两个插值参考点，根据投影曲线ybcur始末点各自的偏置值，采用线性插值方法插值计算出投影曲线ybcur其余型值点的偏置值，各个型值点按照得到的偏置值进行偏置，偏置方向为各个型值点在投影曲线ybcur上的主法线方向，得到叶背偏置曲线ybcur1；以投影曲线ypcur的始末点为两个插值参考点，根据投影曲线ypcur始末点各自的偏置值，采用线性插值方法插值计算出投影曲线ypcur其余型值点的偏置值，各个型值点按照得到的偏置值进行偏置，偏置方向为各个型值点在投影曲线ypcur上的主法线负方向，得到叶盆偏置曲线ypcur1；如图4所示。

步骤1.4：根据设计数据，等距偏置辅助中心直线Refl1，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Pl1；等距偏置辅助中心直线Refl1，得到与叶背偏置曲线ybcur1相交的直线Bl1；等距偏置辅助中心直线Refl2，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Pl2；等距偏置辅助中心直线Refl2，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Bl2；

步骤1.5：对stl1、Pl1、ypcur1、Pl2、stl2、Bl2、ybcur1、Bl1八条线进行修剪，得到封闭环的曲线组，如图5所示。在Pl1与ypcur1相交处进行倒圆处理得到连接圆弧s1，在ypcur1与Pl2相交处进行倒圆，得到连接圆弧s2；在Bl1与ybcur1相交处倒圆得到连接圆弧s3，在ybcur1与Bl2相交处倒圆得到连接圆弧s4；得到由首尾相连的12条线组成的可参数化的伸根外形截面线组{stl1、Pl1、s1、ypcur1、s2、Pl2、stl2、Bl2、s4、ybcur1、s3、Bl1}，如图6所示。

步骤2：得到辅助几何体：

以伸根外形截面线组为拉伸对象，基准平面法向为拉伸方向，拉伸得到辅助几何体B；如图7所示。拉伸距离的数据不影响最终设计，可以由设计人员给定。

步骤3：创建桥接曲线：

桥接是可以定义两个边界的连续条件，利用桥接曲线构造的引导线可以保证在上下两个边界处G2连续，在此基础上创建的曲面可以在上下两个边界处G1连续。

以伸根外形截面组为上边界，以榫头外形模型顶部截面为下边界创建多条桥接曲线，桥接曲线的条数不受限制，但桥接曲线两两之间不交叉；其中以榫头外形模型顶部截面的四个角点为下控制点，以对应的伸根外形截面组的四个角点为上控制点创建的四条桥接曲线是关键引导线，与线stl1相连的桥接曲线为关键引导线q1，q2，与线stl2相连的桥接曲线为关键引导线q3，q4；在q1、q2之间创建若干桥接曲线作为蒙皮脊线，保证桥接曲线的上端点位于辅助几何体侧表面的棱边上，下端点位于榫头外形对应的棱边上，同样的方法在q3和q4之间创建若干条桥接曲线。如图8所示。

步骤4：利用蒙皮法得到伸根外形的自由曲面：

以{Pl1、s1、ypcur1、s2、Pl2}形成的相切曲线串为第一截面线，以榫头外形模型顶部截面上与第一截面线同侧的棱边为第二截面线，以第一截面线和第二截面线之间的桥接曲线为引导脊线，采用蒙皮法创建伸根自由曲面F1，且自由曲面F1在第一截面线处与辅助几何体B之间G1连续，在第二截面线处与榫头外形模型之间G1连续；

以{Bl1、s3、ybcur1、s4、Bl2}形成的相切曲线串为第三截面线，以榫头外形模型顶部截面上与第三截面线同侧的棱边为第四截面线，以第三截面线和第四截面线之间的桥接曲线为引导脊线，采用蒙皮法创建伸根自由曲面F2，且自由曲面F2在第三截面线处与辅助几何体B之间G1连续，在第四截面线处与榫头外形模型之间G1连续；如图9所示。

步骤5：边界控制法得到伸根外形的其余平面：

以伸根外形截面线组为边界创建平面P1，以榫头外形模型顶部截面的四个棱边为边界创建平面P2，以stl1、L1、q1，q2为边界创建平面P3，以stl2、L2、q3，q4为边界创建平面P4；如图10所示。

步骤6：将由空间曲面F1，F2，平面P1，P2，P3，P4形成的封闭伸根外形曲面体转化为实体，得到最终的伸根外形实体。如图11所示。

Claims (1)

1.一种涡轮气冷动叶片伸根段外形参数化设计方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：创建可参数化的伸根外形截面线组：

步骤1.1：向三维造型软件中导入叶身外形模型与榫头外形模型；所述叶身外形模型为叶身外形截面线通过蒙皮法生成的空间实体，所述叶身外形截面线为气动数据点通过样条曲线拟合形成的连续高次曲线，叶身外形截面线分为叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和尾缘曲线四段；榫头外形模型为通过截面拉伸形成的空间实体，其中榫头外形模型顶部截面是规则的矩形，L1为拉伸过程中榫头外形模型顶部截面的起始边，L2为拉伸过程中榫头外形模型顶部截面的终止边；

步骤1.2：在伸根外形的顶截面高度创建与榫头外形模型顶部截面平行的基准平面，将L1和L2在基准平面投影对应得到线stl1和stl2，将叶身外形底截面上的叶背曲线和叶盆曲线在基准平面投影对应得到曲线ybcur和ypcur，过榫头外形模型顶部截面形心在基准平面上的投影点，创建垂直于stl1的辅助中心线Refl1和垂直于stl2的辅助中心线Refl2；

步骤1.3：以投影曲线ybcur的始末点为两个插值参考点，根据投影曲线ybcur始末点各自的偏置值，采用线性插值方法插值计算出投影曲线ybcur其余型值点的偏置值，各个型值点按照得到的偏置值进行偏置，偏置方向为各个型值点在投影曲线ybcur上的主法线方向，得到叶背偏置曲线ybcur1；以投影曲线ypcur的始末点为两个插值参考点，根据投影曲线ypcur始末点各自的偏置值，采用线性插值方法插值计算出投影曲线ypcur其余型值点的偏置值，各个型值点按照得到的偏置值进行偏置，偏置方向为各个型值点在投影曲线ypcur上的主法线负方向，得到叶盆偏置曲线ypcur1；

步骤1.4：根据设计数据，等距偏置辅助中心直线Refl1，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Pl1；等距偏置辅助中心直线Refl1，得到与叶背偏置曲线ybcur1相交的直线Bl1；等距偏置辅助中心直线Refl2，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Pl2；等距偏置辅助中心直线Refl2，得到与叶盆偏置曲线ypcur1相交的直线Bl2；

步骤1.5：对stl1、Pl1、ypcur1、Pl2、stl2、Bl2、ybcur1、Bl1八条线进行修剪，得到封闭环的曲线组，在Pl1与ypcur1相交处进行倒圆处理得到连接圆弧s1，在ypcur1与Pl2相交处进行倒圆，得到连接圆弧s2；在Bl1与ybcur1相交处倒圆得到连接圆弧s3，在ybcur1与Bl2相交处倒圆得到连接圆弧s4；得到由首尾相连的12条线组成的可参数化的伸根外形截面线组{stl1、Pl1、s1、ypcur1、s2、Pl2、stl2、Bl2、s4、ybcur1、s3、Bl1}；

步骤2：得到辅助几何体：

以伸根外形截面线组为拉伸对象，基准平面法向为拉伸方向，拉伸得到辅助几何体B；

步骤3：创建桥接曲线：

以伸根外形截面组为上边界，以榫头外形模型顶部截面为下边界创建多条桥接曲线，桥接曲线两两之间不交叉；其中以榫头外形模型顶部截面的四个角点为下控制点，以对应的伸根外形截面组的四个角点为上控制点创建的四条桥接曲线是关键引导线，与线stl1相连的桥接曲线为关键引导线q1，q2，与线stl2相连的桥接曲线为关键引导线q3，q4；

步骤4：利用蒙皮法得到伸根外形的自由曲面：

以{Pl1、s1、ypcur1、s2、Pl2}形成的相切曲线串为第一截面线，以榫头外形模型顶部截面上与第一截面线同侧的棱边为第二截面线，以第一截面线和第二截面线之间的桥接曲线为引导脊线，采用蒙皮法创建伸根自由曲面F1，且自由曲面F1在第一截面线处与辅助几何体B之间G1连续，在第二截面线处与榫头外形模型之间G1连续；

以{Bl1、s3、ybcur1、s4、Bl2}形成的相切曲线串为第三截面线，以榫头外形模型顶部截面上与第三截面线同侧的棱边为第四截面线，以第三截面线和第四截面线之间的桥接曲线为引导脊线，采用蒙皮法创建伸根自由曲面F2，且自由曲面F2在第三截面线处与辅助几何体B之间G1连续，在第四截面线处与榫头外形模型之间G1连续；

步骤5：边界控制法得到伸根外形的其余平面：

以伸根外形截面线组为边界创建平面P1，以榫头外形模型顶部截面的四个棱边为边界创建平面P2，以stl1、L1、q1，q2为边界创建平面P3，以stl2、L2、q3，q4为边界创建平面P4；

步骤6：将由自由曲面F1，F2，平面P1，P2，P3，P4形成的封闭伸根外形曲面体转化为实体，得到最终的伸根外形实体。