CN111382482B - 基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法和系统，属于航空叶片叶型检测领域，其中方法包括：将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交，得到前缘点集和后缘点集；通过在前缘点集和后缘点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。本发明计算的弦长准确率高，由于叶片的弦长可以控制叶片的尺寸，同时弦长若过短会导致叶片强度降低，进而影响抗撞击能力及叶片的气动性能，所以通过本发明方法检测叶片弦长，可以保证叶片的气动性能与安全性。

Description

基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法和系统
技术领域
本发明属于航空叶片叶型检测领域，更具体地，涉及一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法和系统。
背景技术
航空叶片是航空发动机的核心部件，其长期工作于高温、高压及交变载荷的恶劣情况下，其制造精度将直接影响航空发动机的性能，因而有必要对其进行型面质量检测及控制，而其中弦长作为航空叶片叶型的关键参数，对其进行精确计算就显得尤为重要。
直接测量弦长时，由于弦线的位置难以确定、难以保证叶盆侧与前缘后缘相切、待检测的参数过多，导致直接测量效率很低。
叶片检测时批量很大，出于精度与效率两个角度考虑，目前关于航空叶片叶型弦长的计算，普遍基于构建叶型轮廓凸包的方法，然而其存在着凸包构造复杂的问题，且对于前后缘半径较小的航空叶片，由于前后缘测点接近，其有可能直接删除部分测点，凸包构造错误进而导致弦长计算错误。
叶片的弦长可以控制叶片的尺寸，同时弦长若过短会导致叶片强度降低，进而影响抗撞击能力及叶片的气动性能。因此，现有技术存在弦长计算误差大、进而无法保证叶片的气动性能与安全性的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法和系统，由此解决现有技术存在弦长计算误差大、进而无法保证叶片的气动性能与安全性的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法，包括如下步骤：
(1)将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交，得到前缘点集和后缘点集；
(2)通过在前缘点集和后缘点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
进一步地，方法还包括：
利用步骤(2)计算得到的弦长与标准弦长进行比较，当弦长与标准弦长之间的误差小于预设值时，叶片的气动性能与安全性满足要求。
进一步地，步骤(1)包括：
(11)采集航空叶片叶型轮廓测点，组成叶型轮廓点集，将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线；
(12)旋转或平移割线使其与叶盆相交于两点，利用两点连线的中点做与割线垂直的直线，得到直线与叶盆的交点；
(13)利用割线以及直线与叶盆的交点对叶型轮廓进行分割，得到前缘点集和后缘点集。
进一步地，步骤(1)中旋转或平移割线使其与叶盆相交的具体实现方式为：
对于叶型轮廓点集中任意一点pi，将其坐标(xi，yi)代入割线的直线方程，得到Si＝(yb-ya)(xi-xa)+(xa-xb)(yi-ya)，其中，(xa，yb)和(xb，yb)为割线的两个端点，Si为pi代入直线方程得到的值，将Si与阈值δs进行比较，当Si小于阈值δs时，pi为割线与叶型轮廓的交点；割线与叶型轮廓的交点为2个或3个或4个，当割线与叶型轮廓的交点为4个时，4个交点连线时中间两个点为割线与叶盆的交点；当割线与叶型轮廓的交点为3个时，旋转割线，得到割线与叶盆的交点；当割线与叶型轮廓的交点为2个时，平移割线，得到割线与叶盆的交点。
进一步地，阈值δs＝1/2davg，其中，davg为叶型轮廓点集中相邻两点距离的平均值。
进一步地，步骤(2)包括：
(21)根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；
(22)固定割线的一个端点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点；
(23)固定割线与后缘的切点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
进一步地，步骤(2)包括：
(21)根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；
(22)固定割线的一个端点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点；
(23)固定割线与前缘的切点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测系统，包括：
点集分割模块，用于将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交，得到前缘点集和后缘点集；
割线旋转模块，用于通过在前缘点集和后缘点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
进一步地，系统还包括：
叶片性能评估模块，用于利用割线旋转模块计算得到的弦长与标准弦长进行比较，当弦长与标准弦长之间的误差小于预设值时，叶片的气动性能与安全性满足要求。
进一步地，点集分割模块包括：
第一模块，用于采集航空叶片叶型轮廓测点，组成叶型轮廓点集，将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线；
第二模块，用于旋转或平移割线使其与叶盆相交于两点，利用两点连线的中点做与割线垂直的直线，得到直线与叶盆的交点；
第三模块，用于利用割线以及直线与叶盆的交点对叶型轮廓进行分割，得到前缘点集和后缘点集。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明通过将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交划分点集；在点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长，由此计算的弦长准确率高，由于叶片的弦长可以控制叶片的尺寸，同时弦长若过短会导致叶片强度降低，进而影响抗撞击能力及叶片的气动性能，所以通过本发明方法检测叶片弦长，可以保证叶片的气动性能与安全性。
(2)本发明构造割线与叶盆交于两点，做过与叶盆两交点中垂线与叶盆求交点，进而基于点与割线、中垂线的位置关系划分并对前缘及后缘点集排序，最后基于割线旋转迭代求得弦线。该方法基于割线旋转迭代的方法逐步构造在叶盆方向的切线(弦线)，解决了凸包构造复杂的问题，同时避免了计算较小前后缘半径测点时，由于测点接近导致的弦长计算错误的问题。
(3)本申请在寻找割线与叶型轮廓的交点时，将Si与阈值δs进行比较，阈值利用叶型轮廓点集中相邻两点距离的平均值得到，由此得到的交点考虑了叶型轮廓点集中点的稀疏程度，由此分割的前缘点集和后缘点集更为准确，进而找到的切点更准备，最终检测的弦长也更准确。
附图说明
图1是本发明实施例提供的航空叶片叶型轮廓测点示意图；
图2是本发明实施例提供的割线与叶型轮廓的交点为4个的示意图；
图3是本发明实施例提供的割线与叶型轮廓的交点为3个的示意图；
图4是本发明实施例提供的割线与叶型轮廓的交点为2个的示意图；
图5是本发明实施例提供的分割叶型轮廓示意图；
图6是本发明实施例提供的分割叶型轮廓得到的前缘点集和后缘点集的示意图；
图7是本发明实施例提供的旋转割线的示意图；
图8是本发明实施例提供的旋转割线找到的第一个切点的示意图；
图9是本发明实施例提供的旋转割线找到的第二个切点的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法，包括如下步骤：
(1)将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交，得到前缘点集和后缘点集；
(2)通过在前缘点集和后缘点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
进一步地，方法还包括：
利用步骤(2)计算得到的弦长与标准弦长进行比较，当弦长与标准弦长之间的误差小于预设值时，叶片的气动性能与安全性满足要求。
具体地，本申请步骤(1)包括如下步骤：
(11)如图1所示，通过三坐标检测测量机及点激光位移传感器采集航空叶片叶型轮廓测点，得到叶型轮廓点集，将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线；选取叶型轮廓点集中任意两点pi(xi，yi)及pj(xj，yj)，计算其距离
Figure BDA0002430129450000061
共完成n(n+1)/2次计算，即可得到相距最远的两点A(xa，yb)，B(xb，yb)，连接两点即可得到叶型轮廓的最长割线L，其直线方程为(yb-ya)(x-xa)+(xa-xb)(y-ya)＝0。
(12)旋转或平移割线使其与叶盆相交于两点，对于叶型轮廓点集中任意一点pi，将其坐标(xi，yi)代入割线的直线方程，得到Si＝(yb-ya)(xi-xa)+(xa-xb)(yi-ya)，其中，(xa，yb)和(xb，yb)为割线的两个端点，Si为pi代入直线方程得到的值，将Si与阈值δs进行比较，阈值δs＝1/2davg，其中，davg为叶型轮廓点集中相邻两点距离的平均值，当Si小于阈值δs时，pi为割线与叶型轮廓的交点；割线与叶型轮廓的交点为2个或3个或4个，如图2所示，当割线与叶型轮廓的交点为A、C、D、B时，4个交点连线时中间两个点C、D为割线与叶盆的交点；如图3所示，当割线与叶型轮廓的交点为A、C、B时，取A、C两点中点E，过E点做直线与叶盆相交于D，连接CD做割线，求其与叶型轮廓另外两个交点A′，B′，或者，固定C点旋转割线，得到割线与叶盆的交点D，将C、D作为割线与叶盆的两个交点；如图4所示，当割线与叶型轮廓的交点为2个时，沿A，B两点中垂线方向平移，直到其与叶型轮廓相交于4点，其中，C、D点即为割线与叶盆的交点。
首先过割线L与叶盆的交点C(xc，yc)，D(xd，yd)的中点E(xe，ye)做直线T与L垂直，其直线方程为(yb-ya)(y-ye)+(xb-xa)(x-xe)＝0，随后求直线T与叶型轮廓的交点，即将叶型轮廓中任一点pi(xi，yi)代入至直线方程中，得di＝(yb-ya)(yi-ye)+(xb-xa)(xi-xe)，则可以得到两个交点I，I′，随后求点I及I′到割线L得距离，如图5所示，较近的交点即为直线T与叶盆的交点I。
(13)利用割线以及直线与叶盆的交点对叶型轮廓进行分割，得到前缘点集和后缘点集。
如图6所示割线L将叶型轮廓划分为两部分，与点I落在割线L的同侧及与点I落在割线L的异侧。则可以基于上述位置关系，将叶型轮廓分为Psame＝{pi(xi，yi)∈P|((yb-ya)(xi-xa)+(xa-xb)(yi-ya))·SI＞0}，及Pvary＝{pi(xi，yi)∈P|((yb-ya)(xi-xa)+(xa-xb)(yi-ya))·SI≤0，两部分，其中SI＝(yb-ya)(xI-xa)+(xa-xb)(yI-ya)。随后基于点pi与直线T的位置关系，可以将点集Pvary划分为前缘点集Pl＝{pi(x_i，y_i)∈Pvary|(yb-ya)(yi-ye)+(xb-xa)(xi-xe)＜0}，后缘点集Pt＝{pi(x_i，y_i)∈Pvary|(yb-ya)(yi-ye)+(xb-xa)(xi-xe)＞0}。
步骤(2)包括：
(21)根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；
(22)固定割线的一个端点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点；
(23)固定割线与后缘的切点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
或者，步骤(2)包括：
(21)根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；
(22)固定割线的一个端点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点；
(23)固定割线与前缘的切点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
本发明以其中一种为例，进行详细说明：
首先对于Pl及Pt中的任一点pi，首先计算其至直线T的距离
Figure BDA0002430129450000081
随后按照|di|的值从大到小排序，即可得到有序前缘点集P′l＝{A，A1，A2，...，Am}及有序后缘点集P′t＝{B，B1，B2，...，Bn}。
如图7所示，首先固定A点，按顺序依次连接A点与
Figure BDA0002430129450000082
点，得到新割线
Figure BDA00024301294500000819
其直线方程为
Figure BDA0002430129450000083
判断P′t中点pi是否与点I落在LB一侧，即判断
Figure BDA0002430129450000084
Figure BDA0002430129450000085
是否成立，若存在点Bi不成立，则继续构造新割线
Figure BDA0002430129450000086
否则停止迭代，得到使得P′l中所有点都与点I落在割线一侧的割线
Figure BDA0002430129450000087
此时的Bi即为弦线与后缘的切点Te；如图8所示。
如图9所示，首先固定后缘切点Te，按顺序依次连接Te点与
Figure BDA0002430129450000088
点，得到新切线
Figure BDA0002430129450000089
其直线方程为
Figure BDA00024301294500000810
Figure BDA00024301294500000811
判断P′t中点pi是否与点I落在
Figure BDA00024301294500000812
一侧，即判断
Figure BDA00024301294500000813
Figure BDA00024301294500000814
Figure BDA00024301294500000815
是否成立，若存在点Ai不成立，则继续构造新割线
Figure BDA00024301294500000816
否则停止迭代，得到使得P′t中所有点都与点I落在割线一侧的割线
Figure BDA00024301294500000817
此时的Ai即为弦线与后缘的切点Le；计算切点Te(xte，yte)及Le(xle，yle)间的距离，即弦长
Figure BDA00024301294500000818
本发明方法适用各种形式的航空叶片叶型的弦长计算，即基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长计算。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交，得到前缘点集和后缘点集；
(2)通过在前缘点集和后缘点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长；
所述步骤(1)包括：
(11)采集航空叶片叶型轮廓测点，组成叶型轮廓点集，将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线；
(12)旋转或平移割线使其与叶盆相交于两点，利用两点连线的中点做与割线垂直的直线，得到直线与叶盆的交点；
(13)利用割线以及直线与叶盆的交点对叶型轮廓进行分割，得到前缘点集和后缘点集；
所述步骤(1)中旋转或平移割线使其与叶盆相交的具体实现方式为：
对于叶型轮廓点集中任意一点pi，将其坐标(xi，yi)代入割线的直线方程，得到Si＝(yb-ya)(xi-xa)+(xa-xb)(yi-ya)，其中，(xa，yb)和(xb，yb)为割线的两个端点，Si为pi代入直线方程得到的值，将Si与阈值δs进行比较，当Si小于阈值δs时，pi为割线与叶型轮廓的交点；割线与叶型轮廓的交点为2个或3个或4个，当割线与叶型轮廓的交点为4个时，4个交点连线时中间两个点为割线与叶盆的交点；当割线与叶型轮廓的交点为3个时，旋转割线，得到割线与叶盆的交点；当割线与叶型轮廓的交点为2个时，平移割线，得到割线与叶盆的交点；
所述阈值δs＝1/2davg，其中，davg为叶型轮廓点集中相邻两点距离的平均值；
所述步骤(2)包括：
根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；固定割线的一个端点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点；固定割线与后缘的切点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长；
或者；
根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；固定割线的一个端点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点；固定割线与前缘的切点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
2.如权利要求1所述的一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用步骤(2)计算得到的弦长与标准弦长进行比较，当弦长与标准弦长之间的误差小于预设值时，叶片的气动性能与安全性满足要求。
3.一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测系统，其特征在于，包括：
点集分割模块，用于将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线，旋转或平移割线使其与叶盆相交，得到前缘点集和后缘点集；
割线旋转模块，用于通过在前缘点集和后缘点集范围内旋转割线，得到割线与前缘和后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长；
所述点集分割模块包括：
第一模块，用于采集航空叶片叶型轮廓测点，组成叶型轮廓点集，将叶型轮廓点集中相距最远的两点之间的连线作为割线；
第二模块，用于旋转或平移割线使其与叶盆相交于两点，利用两点连线的中点做与割线垂直的直线，得到直线与叶盆的交点；
第三模块，用于利用割线以及直线与叶盆的交点对叶型轮廓进行分割，得到前缘点集和后缘点集；
所述点集分割模块中旋转或平移割线使其与叶盆相交的具体实现方式为：
对于叶型轮廓点集中任意一点pi，将其坐标(xi，yi)代入割线的直线方程，得到Si＝(yb-ya)(xi-xa)+(xa-xb)(yi-ya)，其中，(xa，yb)和(xb，yb)为割线的两个端点，Si为pi代入直线方程得到的值，将Si与阈值δs进行比较，当Si小于阈值δs时，pi为割线与叶型轮廓的交点；割线与叶型轮廓的交点为2个或3个或4个，当割线与叶型轮廓的交点为4个时，4个交点连线时中间两个点为割线与叶盆的交点；当割线与叶型轮廓的交点为3个时，旋转割线，得到割线与叶盆的交点；当割线与叶型轮廓的交点为2个时，平移割线，得到割线与叶盆的交点；
所述阈值δs＝1/2davg，其中，davg为叶型轮廓点集中相邻两点距离的平均值；
所述割线旋转模块包括：
根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；固定割线的一个端点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点；固定割线与后缘的切点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长；
或者；
根据前缘点集中的点与直线的距离对前缘点集进行排序，根据后缘点集中的点与直线的距离对后缘点集进行排序；固定割线的一个端点，在前缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与前缘的切点；固定割线与前缘的切点，在后缘点集中按照排序结果依次旋转割线，得到割线与后缘的切点，计算两个切点之间的距离得到弦长。
4.如权利要求3所述的一种基于割线旋转迭代的航空叶片叶型弦长检测系统，其特征在于，所述系统还包括：
叶片性能评估模块，用于利用割线旋转模块计算得到的弦长与标准弦长进行比较，当弦长与标准弦长之间的误差小于预设值时，叶片的气动性能与安全性满足要求。
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