吳 江 王 鋒 周?chē)?guó)慶 項(xiàng) 松

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110136）

0 前言

航空螺旋槳作為使用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的固定翼航空器的主要推力來(lái)源，其設(shè)計(jì)性能和制造精度對(duì)航空器的功率利用效率、飛行性能、噪聲等有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的航空螺旋槳設(shè)計(jì)需要從其氣動(dòng)性能要求出發(fā)，選擇合適的翼型，確定其不同截面的弦長(zhǎng)、厚度、及截面間的扭轉(zhuǎn)關(guān)系，并根據(jù)動(dòng)力需求確定螺旋槳直徑及槳葉數(shù)目等[1]；經(jīng)過(guò)此過(guò)程產(chǎn)生的螺旋槳是否能達(dá)到飛行器的性能要求，還有待通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程才能最終確定，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本高。

目前,工程領(lǐng)域多數(shù)逆向工程的研究為實(shí)物的逆向建模，適用測(cè)量工具對(duì)實(shí)物進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，之后通過(guò)幾何建模方法得到實(shí)物的三維模型，以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)或者是加工制造。[2]

逆向工程可以縮短產(chǎn)品再設(shè)計(jì)與制造的周期，特別是針對(duì)具有復(fù)雜型面的產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)更加突出。所以，將其用于航空螺旋槳的設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用已有的螺旋槳設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，可以節(jié)約設(shè)計(jì)成本和縮短設(shè)計(jì)周期，而且，以得到的反求方案為基礎(chǔ)加以修改，也更容易得到性能優(yōu)異的新型螺旋槳。

在文獻(xiàn)[3-10]中，很多學(xué)者對(duì)逆向工程的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，但是很少見(jiàn)針對(duì)航空螺旋槳的逆向設(shè)計(jì)研究。在此，以某型發(fā)動(dòng)機(jī)配套螺旋槳為研究對(duì)象，介紹了航空螺旋槳槳葉逆向設(shè)計(jì)的一般過(guò)程及方法。

1 航空螺旋槳槳葉的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 數(shù)字測(cè)量

零件原型的數(shù)字測(cè)量，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，是將模型曲面以空間點(diǎn)的形式離散化得到點(diǎn)云，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行曲面重建和模型評(píng)定，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集精度就成為逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。[3]

目前，常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法有三種。

接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量。其特點(diǎn)是測(cè)量精度較高，測(cè)量效率較低。由于測(cè)量時(shí)需接觸被測(cè)件，易劃傷零件表面。適用于進(jìn)行點(diǎn)、特征線、孔等幾何特征的測(cè)量。[3]

線狀激光束測(cè)量。該方法投影周期性光柵至被測(cè)件表面，通過(guò)對(duì)光柵圖像數(shù)據(jù)的處理解算，求出被測(cè)件表面的空間信息，其特點(diǎn)是可進(jìn)行大面積測(cè)量、測(cè)量速度快，但僅限于較平坦曲面的測(cè)量，曲率變化大的曲面測(cè)量精度將大大下降。[3]

光柵投影式測(cè)量。測(cè)量時(shí)，投影光柵至被測(cè)零件表面，限定一個(gè)測(cè)量范圍，利用光學(xué)掃描系統(tǒng)獲取零件的表面數(shù)據(jù)，并用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行特征標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置的獲取。該方法為非接觸測(cè)量，不會(huì)被測(cè)零件表面產(chǎn)生影響，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或尺寸較大的零件可以分塊測(cè)量，測(cè)量速度快，點(diǎn)云密集，精度高。[3]

本文采用線狀激光束測(cè)量方法，利用加拿大Creatform公司生產(chǎn)的MAXscan大范圍精密手持式自動(dòng)定位三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該掃描儀的精度可以達(dá)到0.05mm，掃描速度約36000點(diǎn)/秒。利用其測(cè)量螺旋槳，共得到離散點(diǎn)876228個(gè)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理在逆向設(shè)計(jì)中十分重要，其結(jié)果好壞關(guān)乎建模精度。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理一般包括奇異點(diǎn)排除及噪聲濾波、多視拼合、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等工作。[4]

圖1 螺旋槳槳葉測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本文利用CATIA軟件自帶的功能，通過(guò)手動(dòng)的方式排除異常點(diǎn)，通過(guò)利用高斯濾波方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和光順處理，充分考慮建模精度以及建模效率的影響，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，精簡(jiǎn)后點(diǎn)云數(shù)據(jù)為408898個(gè)。精簡(jiǎn)后螺旋槳槳葉點(diǎn)云如圖2。

圖2 處理后點(diǎn)云

1.3 基于CATIA的三維模型重構(gòu)

三維模型的曲面重建目的就是要恢復(fù)實(shí)物模型的曲面形狀，并要求恢復(fù)的曲面形狀能夠盡可能地反映出原曲面所具有的形狀特征。在獲取了經(jīng)過(guò)預(yù)處理的散亂數(shù)據(jù)后，三維模型的曲面重建工作是后續(xù)處理的關(guān)鍵步驟，大量的研究成果已為曲面造型與重建提供了理論基礎(chǔ)。

本文利用CATIA軟件作為建模工具，完成了螺旋槳槳葉的模型建立。

1.3.1 點(diǎn)云分塊

根據(jù)螺旋槳的設(shè)計(jì)規(guī)律，槳螺旋槳槳葉劃分為主要工作面，槳根及連接，槳尖三大部分，其中主要工作平面是螺旋槳的核心工作部分，槳根及連接用于槳葉與槳轂的安裝并保證槳根強(qiáng)度，槳尖部分為非主要工作表面維形即可。據(jù)此將點(diǎn)云分割如圖3：

圖3 點(diǎn)云分塊示意

1.3.2 槳主要工作面構(gòu)建

槳主要工作面的構(gòu)建采用多截面曲面的方法進(jìn)行構(gòu)建，利用CATIA軟件的DSE模塊和QSR模塊進(jìn)行截面曲線的構(gòu)建，并利用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行曲面的構(gòu)建。

槳主要工作曲面的構(gòu)建過(guò)程如圖4所示。

1.3.3 將根曲面構(gòu)建

槳根部分曲面構(gòu)建與槳主要工作面的構(gòu)造類似，但是因?yàn)榇瞬糠植皇侵饕ぷ髅?，因此?gòu)建時(shí)可減少截面的選取，這很好的保證了曲面的光順性。

槳根曲面的構(gòu)建過(guò)程如圖5所示。

圖4 槳葉主要工作面構(gòu)建過(guò)程

圖5 槳根構(gòu)建過(guò)程

1.3.4 槳尖構(gòu)建

槳尖部分主要維持形狀，類似主工作面構(gòu)建過(guò)程，適當(dāng)減少截面，并保證封閉即可。具體構(gòu)建過(guò)程如圖6：

圖6 槳尖構(gòu)建過(guò)程

1.3.5 曲面拼接及光順性檢驗(yàn)

將分塊構(gòu)建的曲面進(jìn)行拼接以形成完整的螺旋槳槳葉外形，并保證生成的槳葉外形滿足切線連續(xù)。

在拼接前檢驗(yàn)曲面間的連接性，保證曲面之間沒(méi)有間隙，并且是切線連續(xù)的，檢驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

圖7 曲面連續(xù)性及光順性檢驗(yàn)

從圖中還可以看出，曲面間不僅能滿足切線連續(xù)，并且生成的槳表面是光順的。

1.4 建模精度分析

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、整理及曲線曲面重構(gòu)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差和模型的失真，所以對(duì)重構(gòu)后的模型進(jìn)行建模精度分析并修改是必不可少的。本文利用CATIA軟件自帶的偏差分析功能，對(duì)重建后的螺旋槳進(jìn)行了精度分析。

由于對(duì)航空螺旋槳槳葉逆向設(shè)計(jì)的偏差要求及標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有明確規(guī)定，此處以螺旋槳槳葉重構(gòu)模型對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向偏差值作為評(píng)定依據(jù)，本文采用螺旋槳尺寸為850mm（槳尖至旋轉(zhuǎn)軸中心距離），設(shè)定主要工作面偏差值在-0.5mm至+0.5mm之間為可接受范圍，而槳根及槳尖處對(duì)精度在原則上沒(méi)有要求。

對(duì)槳的主要工作面的精度分析，以及對(duì)槳根處所做的輔助性精度分析如圖8所示，從分析圖上可以看出，槳的主要工作面僅在前緣和后緣個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)超差，放大超差點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)觀察，可以認(rèn)為超差點(diǎn)是噪點(diǎn)，其他位置建模精度符合要求；槳根處精度偏差在-2mm至+2mm之間，可以接受。

圖8 建模精度分析

2 結(jié)論

對(duì)逆向設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的分析與介紹，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例演示了航空螺旋槳的逆向設(shè)計(jì)的完整過(guò)程。采用逆向設(shè)計(jì)的方法，在保證性能及使用要求的前提下，大大縮短了螺旋槳的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，對(duì)航空螺旋槳的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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