三维CAD 系统叶片造型方法研究.pdf

2005 年 UFC 中国用户论文集 三维 CAD 系统叶片造型方法研究 三维 CAD 系统叶片造型方法研究 罗罗 强强 通力有限公司 1 2005 年 UFC 中国用户论文集 三维 CAD 系统叶片造型方法研究 三维 CAD 系统叶片造型方法研究 罗强 通力有限公司 摘 要 摘 要 本文探讨了基于在三维 CAD 系统下对于复杂的叶片建模处理方法 结合现有的 CAD 软件 Unigraphics 和数学算法 提出了一些新的建模思路 分别针对构线 建面 修面各个 阶段使用了不同的灵活方法 应用这些方法 大大提高了建模的效率和精度 关键词 关键词 构线 曲面 建模 UG Abstract Abstract The complicated vane modeling method is studied under UG environment Combining with the existing software skill and maths arithmetic some new modeling ways are put forward Aimming at the phases of constructing lines constructing faces analysis quality creating solid the different ways are used which improves the efficiency and precision of modeling Key Words Key Words construct lines freeform surface modeling UG 1 研究背景 1 研究背景 在复杂机械零件中 叶片的设计是比较难的一个环节 因为一般的叶片在径向 轴向都 有扭动 而且叶片的前缘和后缘曲率变化十分剧烈 这个叶片实体是由许多曲面构成 同时 对于叶片的表面质量还有很高的要求 设计情况如果不理想 会对后续的加工 以及整机效 率和寿命带来致命的影响 因此 目前国内的工厂普遍都引入了三维的高端 CAD CAM 软 件 希望提高对于复杂产品的设计能力 UG 软件是世界一流的集成化机械 CAD CAM CAE 软件 广泛应用于航空 航天 汽车 通用机械 模具和家用电器等领域 许多世界著名公司均选用 UG 作为企业计算机辅助设计 制造和分析的标准 如美国通用汽车公司 波音飞机公司等都以 UG 作为企业产品开发的软 件平台 UG 软件自 1990 年进行中国市场以来 以其先进的理论基础 强大的工程背景 完善的功能和专业化的技术服务赢得了广大的中国 CAD CAM 用户 它的曲面处理能力得 到了业界的公认 本文将探讨以 UG NX2 软件为基础 进行叶片设计的方法 希望能够在复杂形面设计方 面给中国的用户一些好的帮助 图 1 复杂的发动机叶片 2 设计步骤 2 设计步骤 2 2005 年 UFC 中国用户论文集 通常情况下对于叶片这么复杂的零件 在 CAD 软件的设计处理上往往不能一次成型 必须分类分区域的对曲面进行构建 然后对曲面再做详细的处理 才能达到良好的效果 1 线条处理阶段线条处理阶段 复杂的三维模型都需要遵循这样一个过程 点 线 面 因此对于线条的处理是非常重 要的 线条的光顺与否在很大程度上决定后来曲面的质量 通常在叶片的构造中 设计人员 都已经具有了由空气动力学得来的点云数据 一般都是给出的叶片若干个不同直径下的横截 面数据 根据不同用途的叶片 具体数据会稍有区别 通常情况下 这些数据包括叶片上下面离散点的数据 在前缘点和后缘点给出的是曲率 半径和圆心位置 如图 2 图 2 叶片点云的分布 基本设计步骤是先处理比较简单的上下线 然后构建较难的前后缘点 通常都使用创建 样条线的命令 分别选择上下面的基本线条 一般情况下应选择使用多段 3 阶样条就可以了 最好不要超过 5 阶 因为过高的阶数会对后面的加工和向其他 CAD 系统传输数据带来困难 现在的软件都可以直接从 dat 文件中读入样条线的点的数据 使用 UG 软件的 Spline 样 条线 命令就可以得到如图 3 的上下 2 段基本样条 图 3 UG 下基本样条 实际上上下两根线的最前面和最后面两段是不符合要求的 在最前段和最后段有曲率半 径和光滑过渡的要求 所以必须减去这部分线条重新构建 同时给定最前端和最后端的曲率 半径 并且指定和上下型面线连接处的点的斜率和上下型面线保持一致 这样可以保证整个 叶型的几何连续性 在这里将使用 ug 下 spline 命令 在两个型面线的端点处采用曲线的斜率自然过渡 在 顶点处给出斜率方向 一般是 y 方向 最后在顶点处再给出曲率半径大小 如图 4 图 4 对于定点的处理 这样就生成符合要求的曲线 可以打开软件的曲率梳进行分析 然后结合曲率梳对顶端 曲线进行详细调节 3 2005 年 UFC 中国用户论文集 在顶端的构造上 方法比较灵活 除了上述方法 还可以采用 与圆桥接法 半分桥 接法 等 与圆桥接法就是先画出顶端的曲率半径圆 然后采用与圆桥接曲线的方法 做出 顶端上下的两条曲线 半分桥接法就是使用样条线命令一次作出曲线以后 可能曲率变化的 比较厉害很多地方出现反向曲率 这个时候就需要在顶点处把样条线分成两段 然后采用上 面曲线的端点和下半部分样条线做一个桥接曲线 再用下面曲线的端点和上半部分样条线做 一个桥接曲线 隐藏掉两端样条线就可以了 一般来说这样会光顺很多 根据实际曲线的变 化和曲率半径的大小 采用的方法也不尽相同 2 2 构造曲面 构造曲面 在调整完曲线以后 就可以构造叶片的曲面了 在曲面的构造中 一般选择扫略或者网 格曲线的方法 一般来说都至少能够找到前缘点和后缘点串起的两条曲线作为引导线串 通 常的条件下叶片最顶端都会收缩到一点 如果采用作曲面的方法和下面的大面一起做出 一 般情况面的质量都不太理想 可以先做出现面给出横截面点云数据的面 最后处理最上面的 部分 利用叶片各个截面的型线和前缘点和后缘点串起的两条曲线就可以完成基本曲面的创 建 然后需要继续构线完成叶片最上部的建模 通常都抽出已完成的曲面上的等参数 U V 曲线 通过抽出的曲线和叶片的最高点进行桥接操作 构成最上面部分的导轨 在 UG 软件中 现抽取等参数线然后和最高点桥接 结果如图 5 所示 图 5 构造顶部线 最后在顶部通过已有的线条和构造的曲线 使用曲面建模命令就可以完成构建 3 3 修整曲面 修整曲面 但是一般情况下 构造出来的曲面因为在过渡部分曲率变化得很剧烈 会出现扭曲的现 象 曲面的质量不是太好 如果使用软件的光影分析可以很清楚地看到在曲面的过渡部分会 出现裂缝 有的只能是一阶连续 这对于叶片来说是不能接受的 可以采用 切除添加 法 就是把不合适的地方切除 然后再和周边的面匹配 在 UG 软件中采用裁减片体的命令裁减掉不符合要求的曲面 结果如图 6 所示 4 2005 年 UFC 中国用户论文集 图 6 裁减曲面 最后重新将这个地方补齐 再打上光影分析 如图 7 所示 图 7 叶片曲面的光影分析 通过光影反射分析可以很清晰地看到通过这种方法构造的叶片 其整体连续性 光滑性 都非常好 达到了通过 CAD 软件精确建模的能力 3 结束语 3 结束语 本论文的研究意义在于通过叶片设计的实例讲述了通常情况下 CAD 软件设计的思路和 方法 本文的方法同样适用于其它软件 希望通过对于叶片设计思路的描述可以开阔思路 为国内的 CAD 设