基于unigrap的涡轮叶片三维建模方法

基于unigrap的涡轮叶片三维建模方法

0ug曲面处理发动机是发动机的重要部件。为了预测其寿命，我们需要建立精确的有限模型和正确的有限分析。涡轮叶片造型比较复杂,在径向、轴向都有扭曲,叶片前、后缘曲率变化剧烈,组成叶身的曲面都是不规则曲面,不能简单的加以简化,造型比较困难。UG软件具有优秀的曲面处理能力,在航空、航天、汽车、造船等领域均有广泛应用。本文就如何应用UGNX3.0进行涡轮叶片的三维建模进行了探讨,并将构建的涡喷叶片模型导入Patran/Nastran有限元软件进行了应力分析,为后续的寿命预测工作奠定了基础。1ug建模1.1维实体模型的建立这四个部分的共同特点是都有几何尺寸固定、形状规则的二维轮廓,三维实体可由二维轮廓沿一条引导线(GuideString)运动扫描得到。绘制完成各部分二维轮廓的草图后,根据各部分限制面的位置确定三维实体的扫描距离,利用UG提供的“拉伸”(Extrude)功能构造出该部分的三维实体模型。图1显示了榫头部分二维轮廓草图、限制面及三维实体模型的关系。图2、3、4为叶冠、下缘板、伸根的三维实体模型。三维实体模型构造完成以后,利用UG中的布尔运算将各部分连接成为一体。在下缘板与伸根连接处用“边倒角”(EdgeBlend)功能倒出该处的圆角,如图3所示。在榫头的靠近伸根的4条棱边处采用变半径边倒角功能,共设置如图4所示的5个关键点,分别设置关键点处的圆角的半径。至此,除叶身外,叶片的其他部分的实体模型绘制完毕。1.2叶身表面质量和表面质量叶身部分在径向、轴向都有扭曲,而且叶身的进气边和出气边变化十分剧烈。叶身实体是由复杂曲面构成,同时叶身的表面质量还有很高的要求。构造的实体模型如果不理想,会对后续的有限元计算和寿命分析带来致命的影响。叶身是叶片造型中最困难的部分。1.2.1调整样条曲线建立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了后来曲面的质量。在叶片的构造中,共给出叶片18个不同横截面上由测量得到的点云数据。叶身横截面的点云数据给出了每个截面上叶盆截面线、叶背截面线的各35个型值点的坐标和进、排气边圆弧的圆心和半径,由这些数据得到的图形见图5。由点云数据可以直接拟合得到叶盆截面线、叶背截面线。截面线的拟合方法有多种,UG采用NURBS样条,NURBS使用广泛,曲线拟合逼真、形状控制方便,能够满足绝大多数实际产品的设计要求,已经成为当前CAD/CAM领域内描述曲线和曲面的标准。UG提供的样条构造方法有多种,如:过极点法(ByPoles)、过点法(ThroughPoint)、最小二乘法拟合样条(Fit),由于叶身截面线要求精确通过每个定义点,所以采用过点法将叶盆和叶背上的型值点分别拟合成为样条曲线。这样,最终形成的样条曲线可以保证曲线通过型值点,如图6所示。调整处理四段曲线应该以调整进、排气边圆弧为主,否则难以保证叶盆、叶背截面线通过型值点。处理进、排气边圆弧的方法有两种:一种是保持进、排气边圆弧曲线的圆心位置不变,适当改变进、排气边圆弧的半径,使之与叶盆截面线、叶背截面线相交,然后裁剪多余的叶盆、叶背截面线以及进、排气边圆弧;另一种方法是保持进、排气边的圆弧曲线的半径不变,适当改变进、排气边圆弧圆心的位置,使之与叶盆截面线、叶背截面线相切,然后裁剪多余的叶盆、叶背截面线以及进、排气边圆弧。显然,第一种方法相对简单,但不易实现叶盆、叶背截面线与进、排气边圆弧的光滑连接。因此,本文采用第二种方法,这种方法会造成进、排气边圆弧的圆心偏离原始数据,但由计算得知,这种调整方法造成的误差非常小,最大相对误差0.6457%。用第二种方法调整处理进、排气边圆弧的做法为:拟合出叶盆、叶背截面线后,采用相切-相切-半径的方法构造出进、排气边的圆弧,以两圆弧与叶盆、叶背截面线的切点为端点,在进气、排气边分别构造两条辅助线段,然后以这两条辅助线段为边界,裁剪多余的叶盆、叶背截面线。构造辅助线段作为裁剪边界,是因为如果直接采用进、排气边圆弧作为裁剪边界易出现裁剪错误。最终构造出的封闭光顺截面线如图7所示。1.2.2过曲线成型法在调整完曲线以后,就可以构造叶身的实体了。在实体的构造中,一般选择扫描成型法(Swept)或者过曲线成型法(ThroughCurves)。扫描成型法是将截面线沿引导线运动扫描生成实体模型,与前面榫头等部分的拉伸成型方法相比,这种方法具有更大的灵活性,可以控制实体模型的比例、方位的变化,截面曲线最多可以达到150条,因而在叶身实体的中间部分的曲面可由各截面线控制。对于叶身实体模型来说,扫描成型法需要指定3条曲线作为引导线来自动控制截面线的方位和比例。利用叶身各横截面的进气边圆弧顶点和排气边圆弧顶点串起的两条曲线作为其中的两条引导线,另外一条引导线可以选为各横截面叶盆或叶背截面线中间部位型值点连接而成的曲线,如图8所示。此外,在选择截面线时,要注意截面线的方向要保持一致。图9是按照这种方法生成的叶身实体模型。过曲线成型法是通过一系列截面线,并且可以增加首尾的接触约束形式来建立曲面或实体。所选择的截面线可以是曲线曲面或实体的边界线,也可以是一条曲线或者多条曲线组成的曲线串。当使用的截面线上型值点的数据就是曲面上的点时,这种成型方法最为简便,是工程中一种最常用的方法。这种方法只需依次选择各截面线即可,但有两点需要注意:一是各截面线的方向要保持一致,以免造成叶身的扭曲;二是造型精度选小一些,曲面补片选择为多片,这样生成的叶身实体更为精确。需要指出的是,如果在前面构造的截面线为光顺连续曲线,那么在过曲线成型中选择曲线时会自动选择整个截面线的曲线链,这也是检验先前构造的截面线光顺性、连续性的一种方法。图10是按照过曲线成型法生成的叶身实体模型。上述两种方法虽然都可以构造出表面光顺的叶身实体模型来,但经光影反射分析可以很清晰地看到(见图11),利用扫描成型构造的叶身实体与利用通过曲线成型构造的叶身实体相比,其整体的连续性、光顺性都要稍差。因此在选择叶身成型方法时本文选取的是过曲线成型的方法。1.2.3实体模型的制备以叶冠底面、下缘板顶面为边界将叶身多余部分裁减掉,然后利用布尔运算将裁减后的叶身与叶冠、下缘板、伸根、榫头整合成一体,最后在叶冠与叶身连接处、下缘板与叶身连接处采用变半径边倒角功能,分别设置关键点处的圆角的半径,构造出倒角,完成模型制作,最终实体模型如图12所示。2与锚槽接触的锚点为了能够预测叶片的寿命,必须对叶片进行应力分析。叶片在工作时主要承受温度不均匀引起的热应力、高转速产生的离心力,以及气动弯矩、振动应力等,在与榫槽接触的榫头处会表现出一定的非线性特征,分析起来较复杂。本文仅对离心力产生的应力进行有限元分析。UG具备一定的有限元分析能力,但在有限元网格划分、单元库单元数量、非线性问题求解、分析结果后处理等方面与专业的有限元软件相比有一定的差距,因此选用Patran/Nastran有限元分析系统进行分析。2.1心载荷的施加采用四面体4节点单元进行网格划分,共划分191066个单元。离心载荷的赋予,直接取为对有限元模型施加一个绕轮盘轴线的转速。榫头与榫槽相互接触,位移边界条件应是非线性的,本文简化处理,固定榫齿径向和周向位移;将榫头卡圈槽所在侧面约束了沿轮盘轴线方向的位移。2.2最大应力分析发动机有多种转速状态,本文仅以100%转速为例,计算其离心应力场分布。其等效应力分布云图如图13所示:从等效应力云图上看,总体说来,应力沿半径方向逐渐减小。最大应力出现在叶背面伸根靠近榫头处,数值合理,这主要与该处截面突然变化且靠近位移约束部位有关;叶身与下缘板连接过渡圆角的叶盆、叶背处出现应力集中现象