基于三維測量的螺旋槳翼型數(shù)據(jù)獲取與分析研究

任建勛

摘要：為了在設(shè)計多旋翼無人機過程中，合理選擇與設(shè)計電動機—螺旋槳動力系統(tǒng)，同時也達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目的，基于逆向工程原理對某型螺旋槳進行三維測量，獲得點云數(shù)據(jù)。提出了一種獲得翼型精確攻角和弦長的方法，并對29個數(shù)據(jù)進行擬合得到攻角和弦長隨距離的變化曲線。通過仿真得到了翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為多旋翼無人機設(shè)計過程中與螺旋槳相關(guān)的數(shù)學(xué)計算提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：逆向工程；三維建模；螺旋槳；翼型

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）24-5774-02

Acquisition and Analysis of Propeller Airfoil Data Based on 3D Measurement

REN Jian-xun

（Dept. of Equipment Transport， Armed Police Engineering University， Xian 710086， China）

Abstract： In the design of multi rotor UAV in the process， the rational choice and design of motor propeller power system， but also achieve system optimization design， a propeller for 3D me -asurement based on the principle of reverse engineering， get to the point cloud data. This paper presents a method for obtaining accurate attack angle and chordof airfoil， and the 29 data fitting curves of chord length of the angle of attackrange. This article obtained through simulation， the lift coefficient of airfoil drag and torque coefficients， the basis is provided for the calculation of propellerrelated multi rotor UAV design process of mathematics.

Key words： reverse engineering； Three-dimensional modeling； Propeller； airfoil

1 概述

螺旋槳是一種把發(fā)動機的動力變成拉力的裝置，常被應(yīng)用于航空飛行器與船舶的動力[1]。近年來無人機得到了迅猛的發(fā)展，并且應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域[2][3][4]。多旋翼無人機以螺旋槳為主要推進裝置。螺旋槳的性能直接影響多旋翼無人機的氣動特性、能耗和電能的使用效率。因此為螺旋槳提供選擇依據(jù)對多旋翼無人機的氣動優(yōu)化設(shè)計、減少能耗和提高效率具有重要意義。

逆向工程成為消化吸收已有產(chǎn)品的成果和先進技術(shù)，并進行創(chuàng)新開發(fā)的一種手段[5]。生產(chǎn)廠家基于商業(yè)保密的原因，并未提供螺旋槳的相關(guān)設(shè)計參數(shù)[6]。在這種情況下，需要對螺旋槳進行逆向分析，從而得到設(shè)計及相關(guān)計算過程中所需的一些螺旋槳的相關(guān)參數(shù)。

本文所采用的是天遠(yuǎn)OKIO-V-400型三維掃描儀，對螺旋槳表面數(shù)據(jù)進行提取。

2 螺旋槳點云數(shù)據(jù)提取及預(yù)處理

2.1 螺旋槳點云數(shù)據(jù)提取

測量方式分析。OKIO-V-400掃描儀不能識別黑色物體，所以需要用顯像增強劑將螺旋槳噴成白色。螺旋槳是薄壁件，因此在掃描完一面后需要借助其他的物體過渡到另一面。

點云數(shù)據(jù)的提取。打開設(shè)備后，首先進行定標(biāo)，即建立空間坐標(biāo)系。定標(biāo)的結(jié)果是定標(biāo)點精度0.0085mm，平面精度0.0093mm。其次，在螺旋槳表面貼上標(biāo)記點。然后，進行下一次掃描，并進行拼接。經(jīng)過24次掃描后，完成測量，將文件保存為ASC格式文件。

2.2 基于Geomagic點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

將螺旋槳數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic內(nèi)。去除離散點。由于掃描過程中受到光線、掃描背景以及支撐物等因素的影響，掃描后會出現(xiàn)一些孤立的點[7]。離散點對掃描結(jié)果造成較大誤差，因此需要將其去除。

消除噪點。螺旋槳表面處理成白色的過程中會造成螺旋槳表面出現(xiàn)一些噪點。另外掃描儀校正誤差、拼接誤差、外界的震動等都會導(dǎo)致點云出現(xiàn)噪點。噪點將造成螺旋槳表面不光滑，為后續(xù)處理帶來不便，應(yīng)當(dāng)去除噪點。

封裝及進一步處理。未處理過的螺旋槳點云數(shù)據(jù)量很大，運用“統(tǒng)一采樣”命令，使點等間距分布，從而減少點數(shù)據(jù)。對點云進行封裝，得到三角片組成的螺旋槳模型。通過刪除離散的三角形、填充孔、修補邊、光滑曲面等進一步處理得到高質(zhì)量的三角面片。最后將三角面片轉(zhuǎn)換成點云，并保存成ASC格式文件。

3 基于Pro/E翼型攻角和弦長的獲取

將點數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Pro/E內(nèi)，選擇翼型的前緣點和后緣點，并通過這兩個點創(chuàng)建一條直線。測量并計算創(chuàng)建的直線與X軸的角度為12.515°，即翼型的攻角為12.515°。測量0.7[r]處的弦長D，測量結(jié)果弦長大小為22.8428mm。

根據(jù)相同的方法測得29個不同距離的翼型的弦長與攻角，并進行擬合得到攻角隨距離的變化曲線（如圖1） 和弦長隨距離的變化曲線（如圖2） 。

4 基于fluent的螺旋槳翼型氣動力分析

4.1 基于Gambit翼型網(wǎng)格劃分

修改IGES格式文件的后綴改成DAT文件并導(dǎo)入到gambit。劃分網(wǎng)格，主要將翼型外面到無限遠(yuǎn)處的空氣區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；設(shè)置邊界條件，翼型上下表面設(shè)置為壁面邊界條件，無限遠(yuǎn)處設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場邊界條件。最后得翼型網(wǎng)格文件。

4.2 基于Fluent螺旋槳相關(guān)性能信息的獲得

將從gambit導(dǎo)出的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到fluent內(nèi)，并進行相關(guān)操作可以到翼型的壓力分布云圖、升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)和翼型上下表面的壓力系數(shù)分布線圖，可以清楚的了解當(dāng)螺旋槳以每分鐘7000轉(zhuǎn)的速度運轉(zhuǎn)時0.7r處的壓力分布圖?？梢钥闯鲭S著迭代次數(shù)的增加計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，從而可以得出翼型升力系數(shù)為12.18，翼型阻力系數(shù)為2.94，翼型力矩系數(shù)為17.12。

5 結(jié)論

本文利用逆向工程的相關(guān)方法，對螺旋槳進行三維掃描，得到了它的三維模型并準(zhǔn)確的得到了測量的翼型數(shù)據(jù)。將翼型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Pro/E內(nèi)，精確測量了翼型攻角和弦長，測得29組數(shù)據(jù)進行擬合，得到攻角和弦長隨距離變化的曲線。從Fluent的仿真結(jié)果可以清楚的了解螺旋槳的升力系數(shù)為12.18、阻力系數(shù)為2.94以及力矩系數(shù)為17.12，達(dá)到了仿真的目的，為多旋翼無人機設(shè)計過程中螺旋槳的選擇及相關(guān)計算提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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