CN109409020A - 一种空心风扇叶片的建模方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及飞机发动机风扇叶片设计技术领域，尤其涉及一种空心风扇叶片的建模方法，本申请首先通过预先设定的实心叶片参数得到空心叶片的空腔型线，然后根据设定的加强芯板参数得到空腔中的芯板梯形瓦楞格坐标，最后通过实心叶片与空腔芯板梯形瓦楞格实体做布尔减运算得到空心叶片三维模型，用实心叶片和梯形实体做布尔减运算，避免了布尔加运算所需的相交带来的建模精度的问题，有利于空心叶片内部结构的光顺。

Description

一种空心风扇叶片的建模方法

技术领域

本申请属于飞机发动机风扇叶片设计技术领域，特别涉及一种空心风扇叶片的建模方法。

背景技术

现代航空发动机空心叶片的设计追求高精度、高强度，因此在进行空心叶片三维建模时就需要保证模型的精度，客观上就需要增加叶片的设计截面数，需要进行大量重复的工作。因此，现有的空心叶片建模技术工作量大，效率低。

从技术角度来说，现有建模方法有如下根本性缺点：

1.建模步骤中需要进行布尔加运算。两实体布尔加运算时需要有交集，因此基于空腔截面做出的芯板需要进行再处理，使得芯板型线和空腔型线部分相交，这将严重影响建模的精度；

2.对于大尺寸的空心叶片，由于空腔沿径向设计成了纺锤型，根部截面收缩，而芯板沿径向基本竖直，故芯板的瓦楞格数目沿径向为变值。因此，在单独进行芯板建模时，这种方法无法保证径向光顺；

3.空心叶片的模型需要通过强度校核，因此难免需要对模型进行修改。现有技术牵一发而动全身，修改时需要从头重新绘制，工作量大。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供一种空心风扇叶片的建模方法，以解决两实体布尔加运算时使得芯板型线和空腔型线部分相交，严重影响建模的精度的问题。

本申请的技术方案是：

一种空心风扇叶片的建模方法，包括以下步骤：

步骤1、给定实心叶片参数，确定实心叶片线型；

步骤2、将实心叶片分成多个截面，确定每个截面的空腔前缘圆，并保证所有截面的空腔前缘圆心的连线沿径向光顺；

步骤3、将实心叶片的每个截面通过偏置得到空心叶片空腔的等厚度段的型线，并根据设计要求确定等厚度段长度及起始点；

步骤4、通过等厚度段起点做空腔前缘圆的切线得到切点，从而确定空腔前缘型线，在所述空腔前缘圆切点与所述等厚度段起点之间，利用三次样条拟合得到变厚度段型线；

步骤5、将空腔前缘型线、等厚度段型线和变厚度段型线组合进而得到空腔型线；

步骤6、选取基准截面，确定基准截面的空腔中芯板拐点并计算芯板拐点位置参数t，以所述参数t将作为输入值，确定其余截面的芯板拐点；

步骤7、根据所述芯板拐点得到对各截面的芯板梯形瓦楞格坐标点，并保证所有截面的芯板梯形瓦楞格径向光顺；

步骤8、将各截面加强芯板梯形瓦楞格坐标径向构造成实体，通过实心叶片与加强芯板梯形瓦楞格实体做布尔减运算得到空心叶片三维模型。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤2中确定空腔前缘圆的方法为：

测量实心叶片的截面距离叶片前缘圆心lhq处的实心叶片的厚度c，根据设定值的空腔前缘蒙皮厚度dq和空腔前缘圆半径hRq，判断所述实心叶片厚度c是否满足c＝2dq+2hRq，若满足，则取实心叶片的二维截面对应位置的中点作为空腔前缘圆心，并根据圆心坐标和空腔前缘圆半径hRq确定空腔前缘圆。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤2中保证所有截面的空腔前缘圆心的连线沿径向光顺的方法为：

确定所有截面的空腔前缘圆心后，观察空腔前缘圆心的连线沿径向是否光顺，若光顺，则输出空腔前缘的圆心坐标及空腔前缘圆半径lhq的值，若所述空腔前缘圆心的连线沿径向不光顺，则调整局部截面的dq直至空腔前缘圆心的连线沿径向光顺。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤3中等厚度段长度占空心叶片空腔总长的80％。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤6中确定基准截面的空腔中芯板拐点并计算芯板拐点位置参数t的方法为：

由所述基准截面的空腔型线坐标计算生成中弧线坐标及其长度，根据设定的前缘扩散连接长度Lkq、扩散连接长度Lk和芯板半顶角ALPH的值得到基准截面芯板拐点，进而得到各拐点在中弧线上的投影点，根据投影点的位置计算芯板拐点位置参数t，t＝Ln/L，其中，Ln为各投影点距离空腔前缘圆心的弧长，L为空腔型面中弧线弧长。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤6中确定其余截面的芯板拐点的方法为：

由所述扩散连接长度Lkq和参数t确定芯板拐点在相应截面中弧线上的投影点位置，再根据投影点的位置确定空腔型线上的芯板拐点。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤7中确定芯板梯形瓦楞格坐标点的方法为将两拐点间的与所述加强芯板接触的空腔型线向空腔内部方向偏置加强芯板厚度的dr得到梯形瓦楞格的短底边的坐标点，再由对应拐点通过线性插值得到芯板梯形侧边的坐标点，结合短底边对立面的空腔型线，从而得到加强芯板梯形瓦楞格坐标点。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤8中保证所有截面的芯板梯形瓦楞格的径向光顺的方法为：

若所有截面的芯板梯形瓦楞格的径向不光顺，则调整相应截面的t值，从而使所有截面的芯板梯形瓦楞格径向光顺。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤1至7通过Matlab编写程序处理完成。

根据本申请的至少一个实施方式，步骤8通过将芯板梯形瓦楞格坐标点导入三维建模软件中构造成实体。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请提供的一种飞机内管道型面设计方法，通过空心叶片模型的参数化设计，提出空腔前缘、空腔型面、加强芯板设计流程，并提取了各个瓦楞格坐标点，利用实心叶片与瓦楞格实体做布尔减运算得到三维模型，既降低了设计工作量又保证了建模精度。

附图说明

图1为空心风扇叶片结构示意图；

图2为空腔前缘圆示意图；

图3为芯板结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至3对本申请做进一步详细说明。

空心风扇叶片结构包括叶片空腔、加强芯板和蒙皮。

具体地，空心风扇叶片的建模方法具体步骤如下：

步骤1、给定实心叶片参数，包括叶片前缘圆心、叶片尾缘圆心确定实心叶片线型；

步骤2、将实心叶片分成多个截面，确定每个截面的实心叶片前尾缘圆心坐标，测量距离叶片前缘圆心lhq处的实心叶片的厚度c，根据设定值的蒙皮前缘厚度dq和空腔前缘圆半径hRq，判断是否满足c＝2dq+2hRq，若满足，则实心叶片的截面对应位置的厚度中心点坐标就是空腔前尾缘圆心坐标，若不满足，则继续增大lhq，直至满足c＝2dq+2hRq；确定所有截面的前尾缘圆心坐标后，判断前尾缘圆心的连线沿径向是否光顺，若不光顺，则调整局部截面的dq，直至所有截面的前尾缘圆心的连线沿径向光顺，最后，输出空腔前尾缘的圆心坐标及lhq，根据空腔前尾缘的圆心坐标和半径能够确定空腔前缘圆，空腔尾缘圆的确定方法与空腔尾缘的确定方法相同，空腔尾缘圆设计还涉及参数空腔尾缘圆半径hRh、空腔尾缘圆心与叶片尾缘圆心的距离lhh、尾缘变厚度段终点与尾缘圆心的距离lvh，空腔前缘圆的结构如图2所示；

步骤3、将实心叶片的截面通过偏置预订厚度得到空心叶片空腔的等厚度段的型线，根据设计要求确定等厚度段的长度，一般使得等厚度段长度约占空腔总长的80％，根据设定的空腔前缘变厚度段终点与叶片前缘圆心之间距离lvq能够确定等厚度段起始点；

步骤4、过等厚度段起点做空腔前缘圆的切线确定切点，从而确定空腔前缘型线，在所述空腔前缘圆切点与所述等厚度段起点之间，利用三次样条拟合得到变厚度段型线；

步骤5、将空腔前缘、等厚度段和变厚度段组合进而得到空腔型线；

步骤6、选取基准截面，由基准截面的空腔型线坐标计算生成中弧线坐标及其长度，根据设定的前缘扩散连接长度Lkq、扩散连接长度Lk和芯板半顶角ALPH的值得到基准截面芯板拐点，进而得到各拐点在中弧线上的投影点，根据投影点的位置计算芯板拐点位置参数t，t＝Ln/L，其中，Ln为各投影点距离空腔前缘圆心的弧长，L为空腔型面中弧线弧长；对基准截面之外的其他截面，以所述参数t将作为输入值，由扩散连接长度Lk和参数t确定芯板拐点在相应截面中弧线上的投影点位置，再根据投影点的位置确定空腔型线上的芯板拐点；

步骤7、将两拐点间的与所述加强芯板接触的空腔型线向空腔内部方向偏置加强芯板厚度的dr得到梯形瓦楞格的短底边的坐标点，再由对应拐点通过线性插值得到芯板梯形侧边的坐标点，结合短底边对立面的空腔型线，从而得到芯板梯形瓦楞格坐标点，并且需要保证所有截面的芯板梯形瓦楞格径向光顺，若不光顺，可以通过调整对应截面的t值，使所有截面的芯板梯形瓦楞格径向光顺；同时，对截面的芯板半顶角ALPH有设计要求的，可通过调整基准截面的ALPH或调整t值，重复以上设计步骤进行设计。

步骤8、将各截面加强芯板梯形瓦楞格坐标径向连接成实体，通过实心叶片与加强芯板梯形瓦楞格实体做布尔减运算得到空心叶片三维模型。

进一步，步骤1至7通过Matlab编写程序处理完成，能够对实心叶片型点和面进行批处理，输出空腔型面和芯板的坐标点以及芯板梯形瓦楞格坐标点；在进行模型修改时，只需要修改对应的参数便可快速完成坐标点的输出。

然后，将芯板梯形瓦楞格坐标点导入三维建模软件中构造成实体，再用实心叶片和实体做布尔减运算，这样就避免了布尔加运算所需的相交带来的建模精度的问题，有利于空心叶片内部结构的光顺。

空心风扇叶片的空腔设计建模包括以下参数：

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空心风扇叶片的建模方法，所述空心风扇叶片包括叶片空腔、加强芯板和蒙皮，其特征在于，所述空心风扇叶片的建模方法包括以下步骤：

步骤1、给定实心叶片参数，确定实心叶片线型；

步骤2、将实心叶片分成多个截面，确定每个截面的空腔前缘圆，并保证所有截面的空腔前缘圆心的连线沿径向光顺；

步骤3、将实心叶片的每个截面通过偏置得到空心叶片空腔的等厚度段的型线，并根据设计要求确定等厚度段长度及起始点；

步骤4、通过等厚度段起点做空腔前缘圆的切线得到切点，从而确定空腔前缘型线，在所述空腔前缘圆切点与所述等厚度段起点之间，利用三次样条拟合得到变厚度段型线；

步骤5、将空腔前缘型线、等厚度段型线和变厚度段型线组合进而得到空腔型线；

步骤6、选取基准截面，确定基准截面的空腔中芯板拐点并计算芯板拐点位置参数t，以所述参数t将作为输入值，确定其余截面的芯板拐点；

步骤7、根据所述芯板拐点得到对各截面的芯板梯形瓦楞格坐标点，并保证所有截面的芯板梯形瓦楞格径向光顺；

步骤8、将各截面加强芯板梯形瓦楞格坐标径向构造成实体，通过实心叶片与加强芯板梯形瓦楞格实体做布尔减运算得到空心叶片三维模型。

2.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤2中确定空腔前缘圆的方法为：

测量实心叶片的截面距离叶片前缘圆心lhq处的实心叶片的厚度c，根据设定值的空腔前缘蒙皮厚度dq和空腔前缘圆半径hRq，判断所述实心叶片厚度c是否满足c＝2dq+2hRq，若满足，则取实心叶片的二维截面对应位置的中点作为空腔前缘圆心，并根据圆心坐标和空腔前缘圆半径hRq确定空腔前缘圆。

3.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤2中保证所有截面的空腔前缘圆心的连线沿径向光顺的方法为：

确定所有截面的空腔前缘圆心后，观察空腔前缘圆心的连线沿径向是否光顺，若光顺，则输出空腔前缘的圆心坐标及空腔前缘圆半径lhq的值，若所述空腔前缘圆心的连线沿径向不光顺，则调整局部截面的dq直至空腔前缘圆心的连线沿径向光顺。

4.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤3中等厚度段长度占空心叶片空腔总长的80％。

5.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤6中确定基准截面的空腔中芯板拐点并计算芯板拐点位置参数t的方法为：

由所述基准截面的空腔型线坐标计算生成中弧线坐标及其长度，根据设定的前缘扩散连接长度Lkq、扩散连接长度Lk和芯板半顶角ALPH的值得到基准截面芯板拐点，进而得到各拐点在中弧线上的投影点，根据投影点的位置计算芯板拐点位置参数t，t＝Ln/L，其中，Ln为各投影点距离空腔前缘圆心的弧长，L为空腔型面中弧线弧长。

6.根据权利要求5所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤6中确定其余截面的芯板拐点的方法为：

由所述扩散连接长度Lkq和参数t确定芯板拐点在相应截面中弧线上的投影点位置，再根据投影点的位置确定空腔型线上的芯板拐点。

7.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤7中确定芯板梯形瓦楞格坐标点的方法为：

将两拐点间的与所述加强芯板接触的空腔型线向空腔内部方向偏置加强芯板厚度的dr得到梯形瓦楞格的短底边的坐标点，再由对应拐点通过线性插值得到芯板梯形侧边的坐标点，结合短底边对立面的空腔型线，从而得到加强芯板梯形瓦楞格坐标点。

8.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤8中保证所有截面的芯板梯形瓦楞格的径向光顺的方法为：

若所有截面的芯板梯形瓦楞格的径向不光顺，则调整相应截面的t值，从而使所有截面的芯板梯形瓦楞格径向光顺。

9.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤1至7通过Matlab编写程序处理完成。

10.根据权利要求1所述的空心风扇叶片的建模方法，其特征在于，步骤8通过将芯板梯形瓦楞格坐标点导入三维建模软件中构造成实体。