渦輪葉片參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計平臺的開發(fā)

黃明，黃致建，郝艷華

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021）

渦輪葉片參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計平臺的開發(fā)

黃明，黃致建，郝艷華

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021）

針對航空發(fā)動機渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特點，提出一種UG（Unigraphics NX）混合參數(shù)化建模生成渦輪葉片的方法 .利用UG提供的4種二次開發(fā)工具及VC＋＋程序設計語言，在UG環(huán)境下，完成渦輪葉片參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計平臺的開發(fā)，并給出應用實例.

渦輪；葉片；Unigraphics NX；二次開發(fā)工具；參數(shù)化；VC＋＋

渦輪工作葉片是航空發(fā)動機的重要零部件之一，其作用是把高溫燃氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機械功，渦輪工作葉片是決定發(fā)動機壽命的主要零件之一［1］.所以，對渦輪葉片進行強度和壽命分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常必要.分析及優(yōu)化的過程涉及到渦輪葉片模型尺寸的更新及修改，若采用傳統(tǒng)建模方法，每個尺寸單獨建模會占用大量的工作時間，效率低下，滿足不了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的要求.為方便后續(xù)的分析及優(yōu)化過程，建立一個精確的有限元參數(shù)化模型是必不可少的.參數(shù)化模型使產(chǎn)品具有了尺寸驅(qū)動的能力，方便修改.目前，國際上使用比較廣泛的CAD軟件如Solidworks，Unigraphics NX，Pro／e等基本都具有參數(shù)化建模的能力.其中，Unigraphics NX（UG）在航空航天、汽車、機械、家電等領域應用的十分廣泛.Unigraphics NX具有完善的三維參數(shù)化設計功能，提供了UG／OPEN GRIP和UG／OPEN API程序開發(fā)模塊，以及UG／OPEN MenuScrip和UG／OPEN UIStyler兩個輔助開發(fā)模塊等4個功能強大的二次開發(fā)模塊［2］.它們都擁有良好的高級語言接口，使得UG的造型功能和設計功能結(jié)合起來，方便開發(fā)個性化的參數(shù)化設計系統(tǒng).本文采用UG／OPEN MenuScrip和UG／OPEN UIStyler模塊制作可視化的UG風格的渦輪葉片參數(shù)化建模對話框，利用UG／OPEN API完成渦輪葉片模型的參數(shù)化建模.

1 Unigraphics NX參數(shù)化設計基本思想

目前，通過Unigraphics NX提供的二次開發(fā)工具，可以采用變量表達式及編程技術等兩種方法實現(xiàn)模型的參數(shù)化設計.

1.1 設計變量表達式

該方法采用三維模型與程序控制相結(jié)合的方式，三維模型通過Unigraphics NX的交互界面創(chuàng)建.在創(chuàng)建好的三維模型基礎上，根據(jù)部件的設計要求，建立一組可以完全控制三維模型形狀和大小的設計參數(shù).參數(shù)化程序?qū)υ摬考脑O計參數(shù)進行編程，實現(xiàn)設計參數(shù)的查詢、修改，并根據(jù)新的參數(shù)值更新模型從而實現(xiàn)設計變更 .它大部分應用于形狀規(guī)整的零件構(gòu)建［3-5］，但缺點是對于模型的某些非固定尺寸，使用設計參數(shù)無法控制三維模型形狀.

1.2 編程技術

UG軟件擁有良好高級語言接口，可利用UG／OPEN API二次開發(fā)工具和C語言實現(xiàn)模型的參數(shù)化設計，其各種形狀和大小的更改均由二次開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn).整個三維模型均可由程序驅(qū)動，幾乎可以實現(xiàn)Unigraphics NX中所有的功能，多用于復雜形體構(gòu)建［6-7］，但其缺點是編程工作量大.

2 渦輪葉片參數(shù)化建模

2.1 建模分析

渦輪葉片由葉冠、葉身、下緣板、伸根和榫頭等5大幾何特征組成，如圖1所示.其中：葉冠、下緣板、伸根和榫頭的三維實體均可由形狀固定的二維截面沿一根導引線運動掃描得到，而葉身實體建模則需要從型值點坐標文件中讀取其葉盆截面線、葉背截面線、前緣和后緣的點云數(shù)據(jù).

如果采用完全程序控制的方法來完成渦輪葉片的參數(shù)化設計，葉冠、下緣板、伸根、榫頭部分雖然形狀規(guī)整，但是包含大量的尺寸及幾何特征，需要浪費大量的設計時間進行程序編制，拉長了設計周期，效率低下.如果采用基于三維模板的方式進行參數(shù)化建模，葉身部分由不同截面掃掠而成，每個截面又是根據(jù)讀入的型值點數(shù)據(jù)按NURBS樣條構(gòu)造的，涉及生成NURBS樣條及保證截面線連接點處光順等關鍵問題，三維模板無法解決.

因此，必須選用新的技術來實現(xiàn)渦輪葉片參數(shù)化建模，以縮短研制周期、降低成本及提高產(chǎn)品質(zhì)量.對于葉冠、下緣板、伸根、榫頭等形狀規(guī)整的部分，在完全由設計變量控制的三維模型模板的基礎上，由程序控制其設計參數(shù)的修改，從而實現(xiàn)模型的不斷更新；對于葉身部分，則采用UG／OPEN API二次開發(fā)工具和C語言相結(jié)合的方式，由程序程序控制實現(xiàn)葉身建模.最后，利用程序控制渦輪葉片不同幾何特征求和，生成一個完整的渦輪葉片模型.

圖1 帶冠渦輪葉片模型Fig.1 Shrouded turbine blade model

2.2 葉冠等部分的參數(shù)化設計

1）根據(jù)葉冠等各部分特征，在UG建模環(huán)境下，創(chuàng)建可由設計參數(shù)完全驅(qū)動的葉冠等幾何模型模板，并由表達式將設計參數(shù)關聯(lián)起來，表達式包含了所有基本的設計意圖.

2）通過UG／OPEN MenuScrip定制用戶菜單，點開渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)化平臺按鈕，將現(xiàn)用于調(diào)用生成葉冠等部分的對話框，如圖2所示.其部分程序語句如下：

3）通過UG／OPEN UIStyler定制查詢修改表達式的對話框，有葉冠、葉身、下緣板、伸根、榫頭，以及渦輪葉片俯視轉(zhuǎn)角等6個對話框 .以圖3所示的葉冠對話框為例進行介紹，鑒于篇幅有限，其它不一一贅述 .圖3中數(shù)字框里為所需輸入的數(shù)據(jù)，通過輸入所需要的數(shù)據(jù)，可即時生成葉冠模型.

4）以C語言與UG／OPEN API相結(jié)合的方式，在VC＋＋6.0編程平臺上，開發(fā)查詢、顯示、更新表達式參數(shù)值及顯示更新模型的功能.其中，部分程序開發(fā)語句如下：

圖2 渦輪葉片參數(shù)化設計平臺Fig.2 Parametric design platform of the turbine blade

圖3 葉冠二維輪廓參數(shù)設置對話框Fig.3 Two－dimensional contour parameter setting dialog box of the shroud

2.3 葉身的參數(shù)化設計

葉身部分在徑向、軸向都有扭曲，而且進氣邊與排氣邊的變化十分劇烈，且葉身實體是由一組復雜曲面構(gòu)成，故對其表面質(zhì)量有很高的要求.為了獲得良好的后續(xù)分析及優(yōu)化結(jié)果，一個理想的葉身模型是不可缺少的［8］.

在UG中，樣條曲線都是用非均勻有理B樣條NURBS表示的，它能夠?qū)⒍螆A錐曲線和自由曲線統(tǒng)一起來，并且給用戶提供了更多的控制調(diào)整曲線形狀的能力.相比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式能更好的控制物體表面的曲線度，從而創(chuàng)建出更逼真、生動的模型，葉片截面造型由獲取的型值點數(shù)據(jù)構(gòu)造.它分為葉盆、葉背、前緣圓弧、后緣圓弧4個部分，如圖4所示.

截面造型的要求是構(gòu)造由4條曲線光滑連接的封閉曲線 .采用如下構(gòu)造方法，可以保證在4條曲線連接點的地方依然保持光滑連續(xù).

1）在前緣及后緣圓弧處獲取關鍵點，如圖5所示.

2）通過關鍵點及葉盆、葉背數(shù)據(jù)點構(gòu)造一條完整的葉身截面線，并通過函數(shù)提取這個葉身截面線上關鍵的構(gòu)造數(shù)據(jù)，如曲率半徑、斜率等，如圖6所示.

3）通過葉盆、葉背上的端點及前后緣關鍵點提取

圖4 初始葉身截面線Fig.4 Initial section line of blade body

圖5 提取前緣后緣的關鍵點Fig.5 Pick up the key point of leading edge and trailing edge

圖6 生成單條葉身截面線Fig.6 Generate a single blade body section line

曲率半徑、斜率，重新構(gòu)造前、后緣，以及葉盆、葉背的4條樣條曲線，如圖7所示.

利用如上所述的構(gòu)造方法，可以較完善的通過給定的葉型坐標得到葉身截面線，并且可以保證前緣、后緣、葉盆、葉背4條樣條曲線在連接點依然保持光滑連續(xù).最后，通過一組葉身截面線創(chuàng)建葉身，如圖8所示.

圖7 4條曲線光滑連接的葉身截面線Fig.7 Four smooth connecting section lines of blade body

圖8 通過截面線組生成葉身Fig.8 Generate blade body through the section line

整個葉身的構(gòu)造過程由C語言與UG／OPEN API相結(jié)合的方式自動控制生成，其中部分程序的開發(fā)語句如下：

3 應用實例

為了驗證該平臺所生成模型的可行性和有效性，通過一個實例來完成驗證，如圖9所示.首先進入渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)化設計平臺，該平臺采用多級對話框進行控制，按渦輪葉片零件圖紙的數(shù)據(jù)依次對葉冠、葉身、下緣板、伸根和榫頭等部分進行數(shù)據(jù)輸入.其中：葉冠、葉身、下緣板和伸根的模型以三維模型的樣板形式構(gòu)建，程序僅控制設計參數(shù)的更改，以及依據(jù)模型樣板生成所需的模型，葉身的模型則完全由程序生成.將葉身型值點數(shù)據(jù)放入程序指定的文件夾即可通過平臺自動生成，葉身空間定位及旋轉(zhuǎn)角度可在平臺中直接設定.

圖9 渦輪葉片實體模型的創(chuàng)建Fig.9 Creation of entity turbine blade model

每完成一部分模型的生成，均可直觀地在界面中進行瀏覽，并進行實時的修改.在完成所需5個幾何特征的三維模型建模后，再通過設置渦輪葉片俯視圖數(shù)據(jù)，確定各個幾何特征之間相對角度，選擇更新模型按鈕.該平臺可將5個設計特征自動按要求求和，生成渦輪葉片的實體模型.

4 結(jié)束語

針對航空發(fā)動機渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特點，提出了一種UG混合參數(shù)化建模生成渦輪葉片的方法.以UG NX 7.5作為設計平臺，利用C語言及UG二次開發(fā)模塊實現(xiàn)了渦輪葉片參數(shù)化平臺的設計.利用此優(yōu)化設計平臺，按照新的設計參數(shù)，可以迅速地建立渦輪葉片的三維實體模型，并用于后續(xù)的有限元分析及優(yōu)化設計，極大地縮短了渦輪葉片的結(jié)構(gòu)設計周期.

［1］劉長福.航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2006.

［2］侯永濤，丁向陽.UG／Open二次開發(fā)與實例精解［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［3］丁坤，潘亞嘉，張憲文，等.基于 UG的雙圓弧齒輪參數(shù)化建模［J］.機械傳動，2011，35（1）：46－47.

［4］崔亮.基于 UG的圓柱直齒輪參數(shù)化建模及有限元分析［J］.機械工程師，2010（3）：111－113.

［5］馬俊.基于特征技術的 UG參數(shù)化建模的研究［J］.機械工程及自動化，2009（6）：179－182.

［6］何惠江，李楠.基于 UG OPEN／API的魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化建模［J］.魚雷技術，2011，19（1）：10－13.

［7］常江.一種機器人傳動機構(gòu)的參數(shù)化設計及其UG二次開發(fā)［D］.沈陽：東北大學，2006.

［8］白禹，張定華，任軍學，等.葉片高質(zhì)量造型方法研究［J］.機械科學與技術，2003，22（3）：447－449.

Development of the Parametric Structural Design Platform for Turbine Blade

HUANG Ming，HUANG Zhi－jian，HAO Yan－h(huán)ua

（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

According to the structural characteristics of aircraft engine turbine blades，a UG （Unigraphics NX）hybrid parameterized modeling method for creating turbine blade is presented in this paper.In the UG environment，four kinds of secondary development tools provided by UG and the VC＋＋programming language is used to complete the development of parametric structural design platform for turbine blade parameters.Then the application examples are provided.

turbine；blade；Unigraphics NX；secondary development tools；parametric；VC＋＋

陳志賢 英文審校：楊建紅）

V 232.4

A

1000－5013（2012）04－0370－05

2011－12－09

郝艷華（1962－），女，研究員，主要從事工程機械計算機輔助設計的研究.E－mail：haoyh＠hqu.edu.cn.

企事業(yè)單位委培項目（2010－2012年度））