航空发动机叶片流曲面重构及修复方法研究

发布时间：2020-06-11 17:12

【摘要】：随着我国航空事业的不断发展,航空发动机叶片的需求量急剧增加,废损叶片的数量也不断攀升。传统的制造、加工和修复方式逐渐无法满足叶片大批量的加工和修复需求,构建集测量和加工于一体的叶片自适应加工与修复系统将成为未来叶片加工和修复的主要趋势。模型重构模块作为叶片自适应加工与修复系统的基础和关键,重构模型的质量优劣将决定叶片的加工质量。本文以叶片自适应加工和修复系统的建立为背景,开展叶片的模型重构和修复相关的理论和方法研究,具有重要的理论意义和实用价值。针对通过超塑成型/扩散连接(SPF/DB)方式制造的叶片毛坯具有精度较高、加工余量较小的特点,采用测量精度较高的接触式测量方式进行叶片的外形测量。在基于接触式测点进行模型重构时,可能会出现因两测点间距离大于叶片法向厚度而导致曲面重构失败的问题,研究叶片单层截面线测点的准确高效排序方法。将单层截面线测点的整体排序转换为局部排序,利用四叉树理论对测点进行区域划分;在分析测点四叉树划分结果的基础上,确定各子区域的结点编码规则,研究相邻区域的搜索算法;开展基于结点编码的子区域排序以及子区域内测点的排序算法研究,实现叶片截面线测点的准确高效排序。在截面线测点正确排序的基础上,本文从叶片的工作环境及其特有的流体功能考虑叶片的曲面重构,开展叶片流曲面重构方法研究。基于叶片进出气缘部位的测点提取,确立叶片进出气缘处的气流方向计算法则;引入四元数,结合其几何意义,研究基于测点的叶片表面速度场构建方法;为了提高叶片流曲面的重构精度,基于构建的叶片表面速度场,研究速度场的细分方法,并由流曲面的定义推导得出叶片流曲面的积分算法。通过流曲面重构实例及CFD数值模拟,验证本文所提出的流曲面重构方法的有效性。以叶片流曲面重构方法为基础,为了有效降低传统的曲面修复方法中存在的不确定性较大的问题,提出基于相邻非损伤截面线迭代变形的曲面修复方法。在非损伤截面线提取过程中,受叶片截面线整体曲率变化较大的影响,叶片不同区域的不同测点密度会导致曲率变化较大的部位插值精度降低。为此,本文将叶片截面线进行分段插值,利用曲线延拓的思想研究曲线的桥接方法。推导曲线二阶几何连续(G~2)的约束方程,提出延拓区域的概念,给出延拓区域内最优曲线的桥接算法,实现分段插值曲线段的G~2桥接,完成非损伤截面线的提取。在提取非损伤截面线的基础上,设置迭代变形模板,根据叶片曲面的损伤区域大小,建立损伤曲面上测点的密度确定准则;研究非损伤截面线与损伤部位测点的粗配准和精配准算法,实现两者的高精度匹配;基于数域中的仿射变换法则,以损伤部位的测点为变形约束,建立曲线变形时支撑区间内所有控制顶点的移动量分配算法,实现基于非损伤截面线的迭代变形,同时保证曲线变形合理、光滑且误差较小。根据变形曲线与修复截面线的节点矢量对应关系,给出损伤缺失部位的数据点提取方法,进而将提取的数据点与叶片测点融合,通过本文提出的流曲面重构方法实现损伤叶片的流曲面修复。在叶片流曲面重构及修复方法深入研究的基础上,选择合适的三维几何造型平台,自主开发叶片自适应加工与修复系统中的曲面重构与修复模块。通过模块的数据输入和输出功能,模块可通过读入非损伤叶片的测点文件完成叶片的流曲面重构,也可读入损伤叶片的测点文件完成叶片的流曲面修复。此外,模块可通过接口接入叶片自适应加工及修复系统,实现功能扩展。通过软件模块的曲面重构和修复实例,验证本文所开发的曲面重构与修复模块的实用性。
【图文】：

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- 40 -序结果 e) 1~5 层排序结果图 2-13 测点排序实例le of measured points sorting. a) original mints in each layer, c) quadtree division of mmeasured points in each layer, e) sorting ref) sorting result of measured points in标测量设备，测量某型号叶片的外形按叶高方向进行划分，可得到叶高方由 2.2 节的算法进行四叉树划分。，划分后的各子区域通过三维实体

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出气圆弧处的气流方向，构建叶片表面气流的速度场，构建的叶片内弧处速度场如图 3-9c)所示，背弧处的速度场如图 3-9d)所示。在构造叶片表面气流速度场的基础上，按3.3节的速度场细分方法对图3-9c)和图3-9d)的速度场进行细分，细分后的速度场分别如图 3-9e)和图 3-9f)所示，其细分次数为 1。按照该过程，，可进行任意次数的划分。速度场细分后，利用 3.4 节的算法进行流曲面积分重构，重构得到的叶片曲面如图 3-9g)所示。将该叶片添加叶冠和叶根（如图 3-9h)所示），并进行虚拟装配，装配后的叶栅如图 3-9i)所示。a) b) c)d) e) f)
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V232.4

【参考文献】