基于UG的壓氣機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究

劉寧致，陳彥初，胡雅驥

(駐南方航空動(dòng)力機(jī)械公司軍代表室，湖南 株洲412002)

1 引言

壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，而葉片的造型作為壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，因而研究其造型方法是提高壓氣機(jī)性能和設(shè)計(jì)效率的重要途徑。目前，壓氣機(jī)葉片造型大多還是采用基于三維氣動(dòng)性能點(diǎn)的造型方法，設(shè)計(jì)出的葉片不僅難以保證葉身型面的精度，同時(shí)其模型也是非參數(shù)化的，當(dāng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)，需要重新進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，大大延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。

近幾年，NURBS(非均勻有理B樣條)憑借其在復(fù)雜幾何型面造型中的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力，已經(jīng)成為飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品幾何造型研究的熱點(diǎn)。本文基于CAD造型軟件UG，采用UG函數(shù)二次開(kāi)發(fā)的方法，對(duì)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行參數(shù)化建模，用NURBS樣條曲線來(lái)擬合生成葉身型面，通過(guò)改變?nèi)~型氣動(dòng)幾何參數(shù)來(lái)修改NURBS曲線的控制點(diǎn)，從而達(dá)到修改葉片三維幾何模型的目的，實(shí)現(xiàn)葉片快速全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[1，2]。

2 傳統(tǒng)葉片造型方法

傳統(tǒng)的葉片造型方法是采用氣動(dòng)性能點(diǎn)構(gòu)建葉身型面，然后生成葉片幾何模型。其造型流程如圖1所示：首先去掉一些不符合造型要求的氣動(dòng)性能點(diǎn)，依據(jù)余下性能點(diǎn)生成葉身截面的葉盆、葉背、前緣、后緣四條曲線，然后構(gòu)建前緣、后緣到葉盆、葉背之間的切線，用生成的切線去掉多余的線段即可得到前后緣的圓弧線，并通過(guò)橋接把葉盆、葉背、前后緣圓弧線四條曲線拼接成葉身截面線；同理，可依據(jù)上述方法生成不同徑向高度的葉身截面線，最后通過(guò)對(duì)各徑向高度葉身截面線放樣即可得到葉片的三維幾何模型，其中生成既符合氣動(dòng)性能要求又光順的截面曲線是葉身截面造型的難點(diǎn)。

壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)涉及到氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等多個(gè)學(xué)科，是多學(xué)科協(xié)同仿真優(yōu)化迭代的過(guò)程，而依據(jù)上述葉片造型方法生成的葉片三維模型是非參數(shù)化幾何模型，當(dāng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)發(fā)生改變時(shí)需重頭開(kāi)始圖1的葉片造型流程，極大地延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，由于傳統(tǒng)的造型方法采用氣動(dòng)性能點(diǎn)來(lái)造型，而氣動(dòng)性能點(diǎn)并沒(méi)有反映出氣動(dòng)設(shè)計(jì)者的意圖，在葉片造型的過(guò)程中可能曲解設(shè)計(jì)者的意圖，以至于造成葉片設(shè)計(jì)的失敗。針對(duì)上述情況，需要提出一種新的參數(shù)化葉片造型方法，把氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)與葉片三維模型關(guān)聯(lián)起來(lái)，以表示設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，提高設(shè)計(jì)效率。

圖1 傳統(tǒng)葉片造型方法Fig.1 The traditional method of blade modeling

3 基于NURBS參數(shù)化葉片造型方法研究

3.1 基于NURBS曲線葉型截面參數(shù)化造型

由于壓氣機(jī)葉片幾何模型一般都是通過(guò)對(duì)截面葉型放樣生成，因而可采用NURBS曲線構(gòu)建葉型截面參數(shù)化模型以實(shí)現(xiàn)葉片參數(shù)化，通過(guò)調(diào)整NURBS曲線控制點(diǎn)來(lái)靈活控制葉型參數(shù)，將葉片氣動(dòng)性能參數(shù)與NURBS形狀控制權(quán)因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，借助對(duì)NURBS形狀控制權(quán)因子的微調(diào)來(lái)優(yōu)化葉片的氣動(dòng)性能，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。下面就葉型截面幾何參數(shù)進(jìn)行選取并說(shuō)明。

如圖2所示的葉型截面幾何參數(shù)主要有：

(1)中弧線：葉型內(nèi)切圓的中心連線。

(2)弦長(zhǎng)b：中弧線與葉型線前后緣交點(diǎn)的連線。

(3)最大撓度f(wàn)max及其相對(duì)位置：中弧線到弦的最大距離稱為中弦線的撓度，相對(duì)位置為撓度與前緣的距離a與弦長(zhǎng)b的比值。

(4)最大相對(duì)厚度及其相對(duì)位置：最大相對(duì)厚度等于葉型的最大厚度Cmax/b，最大相對(duì)厚度位置等于最大厚度位置e/b。

(5)葉型前緣角α1和后緣角α2：中弧線分別在前緣點(diǎn)A和后緣點(diǎn)B處切線與弦線的夾角。

圖2 葉型幾何參數(shù)圖Fig.2 The geometrical parameterizations of blade profile

3.1.1 基于NURBS曲線的中弧線參數(shù)化

在選取以上葉型截面參數(shù)后可采用NURBS曲線擬合來(lái)生成中弧線。在中弧線的NURBS擬合過(guò)程中，需要根據(jù)要求通過(guò)給出一定數(shù)量的控制點(diǎn)。圖3所示的擬合的NURBS曲線階數(shù)k=3，給出了5個(gè)控制點(diǎn)，分別為 p0、p1、p2、p3、p4，其中通過(guò)調(diào)整 p1、p3來(lái)控制 α1和 α2，調(diào)整 p2來(lái)控制 Cmax和 fmax，直線 p0p1與X軸的夾角為α1，直線p3p4與X軸的夾角為α2。

圖3 基于NURBS的中弧線擬合圖Fig.3 Curve fitting of the camber line based on NURBS curves

3.1.2 基于NURBS曲線葉柵截面吸/壓力面造型

葉型吸/壓力面的生成主要有以下兩種方法：(1)給定吸/壓力面上的離散點(diǎn)，然后把這些點(diǎn)作為控制點(diǎn)進(jìn)行擬合生成吸、壓力面曲線。

(2)給定中弧線，接著選擇一種標(biāo)準(zhǔn)厚度或自定義厚度分布，將其疊加于中弧線上，然后以疊加后的厚度線作為控制點(diǎn)進(jìn)行NURBS曲線擬合，這樣就可以分別生成吸力面和壓力面。

對(duì)比上述兩種方法造型過(guò)程可以看出，通過(guò)第一種方法離散點(diǎn)生成的NURBS吸/壓力面曲線不具有參數(shù)化；而通過(guò)中弧線疊加厚度的造型方法，可以通過(guò)改變中弧線和厚度分布來(lái)快速改變?nèi)~型截面，從而改變?nèi)~片的三維模型。本文基于UG的葉片參數(shù)化造型系統(tǒng)采用的就是第二種造型方法[3]。

3.2 葉片的參數(shù)化建模

壓氣機(jī)葉片三維造型采用的是截面線整體造型法，在截面線整體造型方法中，利用UG的過(guò)曲線造型法將每個(gè)截面線看作一個(gè)整體，沿指定方向?qū)⒔孛婢€上的點(diǎn)進(jìn)行離散對(duì)齊就可以在積疊軸方向構(gòu)造出曲線，實(shí)現(xiàn)葉片的參數(shù)化造型。其幾何建模步驟為：

(1)給定中弧線的控制參數(shù)，然后換算出中弧線的控制點(diǎn)及其切矢，按選取的中弧線模型生成中弧線。

(2)給定葉型厚度分布規(guī)律(可以是典型葉型的厚度分布，也可以是自定義的厚度分布)，然后在生成的中弧線基礎(chǔ)上疊加上厚度分布即生成葉型截面吸/壓力面曲線，最后拼接成葉型截面線。

(3)依次由以上兩步生成各葉型截面曲線。

(4)依據(jù)各徑向高度葉型截面曲線采用點(diǎn)對(duì)齊的截面線整體造型方法拉伸成葉片三維幾何模型。

其造型過(guò)程如圖4所示。

4 基于UG的葉片參數(shù)化造型系統(tǒng)

4.1 基于UG二次開(kāi)發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

UG提供了GRIP和UG/OpenAPI(UG開(kāi)放應(yīng)用程序接口)兩種二次開(kāi)發(fā)工具。GRIP是一種解釋性的開(kāi)發(fā)工具；而UG/OpenAPI是一種C語(yǔ)言或C++開(kāi)發(fā)工具(也稱為用戶函數(shù))，它是UG/Open二次開(kāi)發(fā)軟件包的一個(gè)重要組成部分，其核心包括2 000個(gè)C函數(shù)，通過(guò)調(diào)用這些C函數(shù)，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分的UG操作，包括實(shí)體建模、特征建模、裝備建模、自由曲面建模等諸多功能模塊。本文采用UG的接口UG/OpenAPI做二次開(kāi)發(fā)，充分利用UG的參數(shù)化特征建模功能和高效、準(zhǔn)確的自由曲面造型功能完成葉片參數(shù)化建模[4，5]。

圖4 參數(shù)化葉片造型方法Fig.4 The parametric modeling method of blade

4.2 葉片參數(shù)化造型系統(tǒng)

根據(jù)上述葉片參數(shù)化造型方法，采用UG/OpenAPI函數(shù)構(gòu)建葉片參數(shù)化造型系統(tǒng)。首先采用UG/Open中的UF_CURVE_create_spline_thru_pts函數(shù)，根據(jù)各截面中弧線幾何參數(shù)(如弦長(zhǎng)、幾何進(jìn)口角、幾何出口角等)構(gòu)建好各截面的中弧線，然后根據(jù)設(shè)定好的厚度采用UF_CURVE_create_spline_thru_pts函數(shù)進(jìn)行疊加生成各截面曲線，最后采用UG的過(guò)曲線造型法生成參數(shù)化的葉片幾何模型，其系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖5所示。

圖5 基于UG的葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)Fig5 The platform of the blade parametric design based on UG

5 總結(jié)

采用中弧線疊加葉片厚度的新的葉片造型方法，并通過(guò)UG功能函數(shù)對(duì)葉片進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片三維模型的參數(shù)化建模。通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程驗(yàn)證，該參數(shù)化造型系統(tǒng)提高了壓氣機(jī)葉片造型效率，縮短了葉片設(shè)計(jì)周期，并為葉片的多學(xué)科優(yōu)化提供了參數(shù)化模型和設(shè)計(jì)信息，取得了良好的效果。

[1]于紅英，唐德威，傘紅軍.汽輪機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12(10)：1537—1542.

[2]Chen Nai-xing，Zhang Hong-wu，Xu Yan-jin，et al.Blade Parameterization and Aerodynamic Design Optimization for a 3D Transonic Compressor Rotor[J].Journal of Thermal Science，2007，16(2)：105—114.

[3]羅 強(qiáng).三維CAD系統(tǒng)葉片造型方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21(12)：57—58.

[4]董正衛(wèi)，田立中，付宜利.UG/OPEN API編程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]王錦紅，邵 明.基于UG軟件的參數(shù)化建模技術(shù)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2003，(2)：29—30.