CN115841548B - 一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统 - Google Patents

一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统 Download PDF

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本发明公开了一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统。本方法步骤包括：1）获取叶轮的叶片设计数据，叶片设计数据为沿叶片径向方向R的L个叶片截面曲线数据，每个叶片截面曲线数据包含前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据；2）将所述叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵；3）分别对叶面的截面曲线数据矩阵的行和列进行插值处理，得到对应叶面新的截面曲线数据矩阵；4）分别将插值处理后的截面曲线数据矩阵延R方向拟合成4个叶面的叶片径向方向的曲线；5）将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至三维几何引擎进行叶片实体建模。本发明形成的曲面精确性高。

Description

一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统
技术领域
本发明属于机械设计技术领域，具体涉及一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统。
背景技术
旋转机械被广泛的应用于航空、电力、机械、化工等领域中，而叶轮作为旋转机械的核心部件长期在高转速和重载荷情况下工作，其性能直接决定整机的性能和工作效率，所以对叶轮进行计算机建模、分析和设计非常的有必要，得到了国内外专家学者的广泛重视，并作出了大量的建模方面的改进和创新。
总之为了快速精确地完成叶片建模，本发明提出一种计算机辅助生成叶轮模型的方法的系统，以填补国产叶轮CAD软件的空白。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统，用来实现叶片的三维模型构建。
本发明的技术方案为：
一种叶片模型的计算机辅助生成方法，其步骤包括：
1）获取叶轮的叶片设计数据，所述叶片设计数据为沿叶片径向方向R的L个叶片截面曲线数据，每个叶片截面曲线数据包含前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据；前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据的数据点总数分别为P1、P2、P3、P4，每个数据点包含位置坐标信息；
2）将所述叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，叶面的截面曲线数据矩阵中每一行的点为构成该叶面延伸方向Z上一曲线的有限个点，叶面的截面曲线数据矩阵中每一列的点为构成该叶面叶片径向方向R上一曲线的有限个点；前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵的行数均为L，列数按前缘、压力面、尾缘、吸力面顺序分别为P1、P2、P3、P4；
3）分别对叶面的截面曲线数据矩阵的行和列进行插值处理，得到对应叶面新的截面曲线数据矩阵；前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵的行数插值处理后均为M，列数按前缘、压力面、尾缘、吸力面顺序分别为N1、N2、N3、N4；
4）分别将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面插值处理后的截面曲线数据矩阵，沿R方向拟合成4个叶面的叶片径向方向的曲线，得到前缘的曲线列表、压力面的曲线列表、尾缘的曲线列表和吸力面的曲线列表；
5）将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至三维几何引擎进行叶片实体建模。
进一步的，将叶面上首尾两个数据点连线方向作为对应叶面的延伸方向Z；所述径向方向R为垂直于叶片旋转轴的方向。
进一步的，步骤4）的具体实现方法为：
41）用（x，y）来表示叶面的截面曲线数据矩阵中每个点的位置，x代表R方向点的位置，y 代表Z方向点的位置；所述叶面包括前缘、压力面、尾缘、吸力面；
42）选取该叶面的截面曲线数据矩阵中Z方向位置为1的M个点，即位置为（1,1）、（2,1）（3,1）...（M,1）的M个点，将该M个点拟合成为一条曲线L1；选取该叶面的截面曲线数据矩阵中Z方向位置为2的M个点并将其拟合成为一条曲线L2；依次类推，直至将Z方向位置为N的M个点拟合成为一条曲线LN；
43）将拟合形成的N条曲线L1、L2、L3……LN组合起来形成该叶面的曲线列表。
进一步的，根据叶片截面确定各N1、N2、N3、N4的取值；其中，N1、N2、N3、N4均为正整数，且N1、N3大于等于3。
进一步的，将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至OpenCascade几何引擎进行叶片实体建模。
一种叶片模型的计算机辅助生成系统，其特征在于，包括数据存储模块、叶片几何生成模块和几何构建模块；
所述数据存储模块，用来存储叶轮的叶片设计数据、叶片几何生成模块处理后的数据和几何构建模块生成的数据；所述叶片设计数据为沿叶片径向方向R的L个叶片截面曲线数据，每个叶片截面曲线数据包含前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据；前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据的数据点总数分别为P1、P2、P3、P4，每个数据点包含位置坐标信息；
所述叶片几何生成模块，用于将叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，叶面的截面曲线数据矩阵中每一行的点为构成该叶面延伸方向Z上一曲线的有限个点，叶面的截面曲线数据矩阵中每一列的点为构成该叶面叶片径向方向R上一曲线的有限个点；然后将所述叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，叶面的截面曲线数据矩阵中每一行的点为构成该叶面延伸方向Z上一曲线的有限个点，叶面的截面曲线数据矩阵中每一列的点为构成该叶面叶片径向方向R上一曲线的有限个点；然后分别对叶面的截面曲线数据矩阵的行和列进行插值处理，得到对应叶面新的截面曲线数据矩阵；然后分别将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面插值处理后的截面曲线数据矩阵，沿R方向拟合成4个叶面的叶片径向方向的曲线，得到前缘的曲线列表、压力面的曲线列表、尾缘的曲线列表和吸力面的曲线列表；
几何构建模块，用于将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至三维几何引擎进行叶片实体建模。
一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行上述方法中各步骤的指令。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明的优点如下：
选取不同的数据其图元生成结果和精度差别很大；本发明通过将叶片设计数据从两个方向离散成曲线数据矩阵，再进行曲线拟合，最后通过三维几何引擎构建成叶片实体模型，从两个方向进行离散化和曲线拟合，能更精确地控制叶片每个表面的位置精度，而且可以避免用一个方向带来的误差累积，使得叶片能够根据设计的数据更精确的立体呈现，进而使得后续的计算机辅助分析结果更精确。
另外叶片径向的曲线的曲率半径变化幅度小，选择用径向R方向拟合的曲线列表来实现叶片实体建模，可以使得曲面成型更加精确，能真实地还原叶片的设计尺寸，相对传统的商用CAD软件用有限的引导线进行放样来形成的曲面要更加精确。
附图说明
图1为叶片正面示意图；
图2为叶片反面示意图；
图3为叶片设计数据点示意图；
图4为压力面曲线数据矩阵示意图；
图5为压力面曲线列表示意图。
附图标记：1-前缘，2-压力面，3-尾缘，4-吸力面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种叶片模型的计算机辅助生成方法，所述叶片模型包括：吸力面、压力面、前缘，尾缘。
S1 获取叶轮的叶片设计数据，叶片设计数据为沿叶片径向方向（即R方向）的L个叶片截面曲线数据，每个叶片截面曲线数据包含前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据；L与R的数值大小有关，一般3≤L，每个叶片截面曲线数据总数据点数为P，其前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据的数据点分别为P1、P2、P3、P4，每个曲线数据的每个数据点都包含其位置坐标信息。
S2 将初始的叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，每一叶面对应的截面曲线数据矩阵中每一行的点代表组成该叶面Z方向截面曲线的有限个点，截面曲线数据矩阵每一列的点代表组成该叶面中一条R方向曲线的有限个点，前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵的行数均为L，列数按前缘、压力面、尾缘、吸力面顺序分别为P1、P2、P3、P4。Z方向是根据独立面的改变而变化的方向，对前缘、压力面、尾缘、吸力面来说都是根据其数据点的延伸方向来确定Z方向，优选的可以用叶面上首尾两个数据点连线方向作为对应叶面的延伸方向Z。径向方向R在子午面上，垂直于叶片旋转轴的方向。
S3 分别从两个方向R方向和Z方向，即分别从截面曲线数据矩阵的行和列，进行插值处理得到新的截面曲线数据矩阵，前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵的行数插值处理后均为M，列数按前缘、压力面、尾缘、吸力面顺序分别为N1、N2、N3、N4。
S4 分别将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面插值处理后的截面曲线数据矩阵，沿叶片径向方向（R方向）拟合成4个叶面的叶片径向方向的曲线，分别将4个叶面的叶片径向方向的曲线组成曲线列表，分别为：
前缘的曲线列表；
压力面的曲线列表；
尾缘的曲线列表；
吸力面的曲线列表。
S5 将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表，传送至三维几何引擎实现叶片实体建模。
优选的，在S4步骤中，前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的R方向的曲线拟合包含以下步骤：
S4.1 用（x，y）来表示某个叶面截面曲线数据矩阵中每个点的位置，x代表R方向点的位置，y代表Z方向点的位置，x为大于1小于等于M的正整数，y为大于1小于等于N的正整数；根据叶片截面设计形状不同，选择与之匹配的N1、N2、N3、N4，在不同的面中，N值不同：前缘N=N1、压力面N=N2、尾缘N=N3、吸力面N=N4。 N1、N2、N3、N4均为正整数且N1和N3通常大于等于3。
S4.2 选取Z方向位置为1的M个点，即位置为（1,1）、（2,1）（3,1）...（M,1）的M个点，将这M个点拟合成为一条曲线L1；
S4.3 选取Z方向位置为2的M个点，即位置为（1,1）、（2,1）（3,1）...（M,1）的M个点，将这M个点拟合成为一条曲线L2；
依次类推，直至将Z方向位置为N的M个点拟合成为一条曲线LN；
S4.4 将拟合形成的N条曲线L1、L2、L3……LN组合起来形成该叶面的曲线列表。
一种叶片模型的计算机辅助生成的系统，其特征是，包括：
数据存储模块，其被配置为：用来存储所有数据包含外部设计数据、中间数据及结果数据；
叶片几何生成模块，其被配置为：用来将外部设计数据通过一系列的处理转化，形成符合三维几何引擎要求的，可以用来直接实体建模的数据种类及形式。
几何构建模块，其被配置为：利用三维几何引擎将叶片几何数据生成模块中处理好的数据，进行实体建模，最终完成叶片实体建模。
一种电子设备，其特征是，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；
以及处理器，用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行所述一种叶片模型的计算机辅助生成方法的任一步骤。
一种存储介质，其特征是，非暂时性的存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行上述一种叶片模型的计算机辅助生成方法的任一步骤。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种叶片模型的计算机辅助生成方法，其步骤包括：
1）获取叶轮的叶片设计数据，所述叶片设计数据为沿叶片径向方向R的L个叶片截面曲线数据，每个叶片截面曲线数据包含前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据；前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据的数据点总数分别为P1、P2、P3、P4，每个数据点包含位置坐标信息；
2）将所述叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，叶面的截面曲线数据矩阵中每一行的点为构成该叶面延伸方向Z上一曲线的有限个点，叶面的截面曲线数据矩阵中每一列的点为构成该叶面叶片径向方向R上一曲线的有限个点；前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵的行数均为L，列数按前缘、压力面、尾缘、吸力面顺序分别为P1、P2、P3、P4；
3）分别对叶面的截面曲线数据矩阵的行和列进行插值处理，得到对应叶面新的截面曲线数据矩阵；前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵的行数插值处理后均为M，列数按前缘、压力面、尾缘、吸力面顺序分别为N1、N2、N3、N4；
4）分别将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面插值处理后的截面曲线数据矩阵，沿R方向拟合成4个叶面的叶片径向方向的曲线，得到前缘的曲线列表、压力面的曲线列表、尾缘的曲线列表和吸力面的曲线列表；
5）将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至三维几何引擎进行叶片实体建模。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将叶面上首尾两个数据点连线方向作为对应叶面的延伸方向Z；所述径向方向R为垂直于叶片旋转轴的方向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤4）的具体实现方法为：
41）用（x，y）来表示叶面的截面曲线数据矩阵中每个点的位置，x代表R方向点的位置，y代表Z方向点的位置；所述叶面包括前缘、压力面、尾缘、吸力面；
42）选取该叶面的截面曲线数据矩阵中Z方向位置为1的M个点，即位置为（1,1）、（2,1）（3,1）...（M,1）的M个点，将该M个点拟合成为一条曲线L1；选取该叶面的截面曲线数据矩阵中Z方向位置为2的M个点并将其拟合成为一条曲线L2；依次类推，直至将Z方向位置为N的M个点拟合成为一条曲线LN；
43）将拟合形成的N条曲线L1、L2、L3……LN组合起来形成该叶面的曲线列表。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据叶片截面确定各N1、N2、N3、N4的取值；其中，N1、N2、N3、N4均为正整数，且N1、N3大于等于3。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至OpenCascade几何引擎进行叶片实体建模。
6.一种叶片模型的计算机辅助生成系统，其特征在于，包括数据存储模块、叶片几何生成模块和几何构建模块；
所述数据存储模块，用来存储叶轮的叶片设计数据、叶片几何生成模块处理后的数据和几何构建模块生成的数据；所述叶片设计数据为沿叶片径向方向R的L个叶片截面曲线数据，每个叶片截面曲线数据包含前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据；前缘曲线数据、压力面曲线数据、尾缘曲线数据、吸力面曲线数据的数据点总数分别为P1、P2、P3、P4，每个数据点包含位置坐标信息；
所述叶片几何生成模块，用于将叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，叶面的截面曲线数据矩阵中每一行的点为构成该叶面延伸方向Z上一曲线的有限个点，叶面的截面曲线数据矩阵中每一列的点为构成该叶面叶片径向方向R上一曲线的有限个点；然后将所述叶片截面曲线数据分为前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的截面曲线数据矩阵，叶面的截面曲线数据矩阵中每一行的点为构成该叶面延伸方向Z上一曲线的有限个点，叶面的截面曲线数据矩阵中每一列的点为构成该叶面叶片径向方向R上一曲线的有限个点；然后分别对叶面的截面曲线数据矩阵的行和列进行插值处理，得到对应叶面新的截面曲线数据矩阵；然后分别将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面插值处理后的截面曲线数据矩阵，沿R方向拟合成4个叶面的叶片径向方向的曲线，得到前缘的曲线列表、压力面的曲线列表、尾缘的曲线列表和吸力面的曲线列表；
几何构建模块，用于将前缘、压力面、尾缘、吸力面4个叶面的曲线列表传送至三维几何引擎进行叶片实体建模。
7.一种服务器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行权利要求1至5任一所述方法中各步骤的指令。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一所述方法的步骤。
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