羅城仔,魏永超,鄧 嵐,鄧春艷

(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川 廣漢 618307；2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 科研處，四川 廣漢 618307)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)直接接觸燃?xì)饣旌蠚?，整個(gè)工作過(guò)程都處在高溫高壓高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中，極易發(fā)生積垢、侵蝕、蠕變等現(xiàn)象，可使葉片型面發(fā)生改變，直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。傳統(tǒng)的工業(yè)零部件建模方式多是通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行草圖繪制，然后進(jìn)行拔模等操作得到立體模型[1]，這種方法雖然更易于操作，但一定程度上對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅適用于外形較為規(guī)則的物體[2]。對(duì)于渦輪葉片這類(lèi)具有復(fù)雜型面的模型，需要一種更能表現(xiàn)葉片真實(shí)形態(tài)的建模方法。

不同于傳統(tǒng)的建模流程，逆向建模技術(shù)通過(guò)對(duì)既得實(shí)物的光學(xué)掃描獲得極其貼近物體真實(shí)形態(tài)的點(diǎn)云文件，對(duì)點(diǎn)云文件進(jìn)行處理即可得到所需的精確模型[3]。逆向工程的光學(xué)掃描是基于所需建模的實(shí)物進(jìn)行且精度達(dá)到亞毫米級(jí)，更符合所需建模物體的原生物理結(jié)構(gòu)，對(duì)零部件的設(shè)計(jì)和再開(kāi)發(fā)具有重要意義。Geomagic Studio具有強(qiáng)大的逆向建模能力，被廣泛應(yīng)用于逆向建模領(lǐng)域[4]。本文應(yīng)用Geomagic Studio軟件對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片進(jìn)行逆向建模，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云模型的處理得到葉片的精確模型，最終結(jié)果表明所得葉片模型具有良好的平滑性和完整性，相較于采用傳統(tǒng)建模方法得到的模型具有更高精度。

1 逆向建模

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自動(dòng)掃描融合系統(tǒng)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描精度為0.02 mm。測(cè)量用葉片為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片，如圖1所示，該葉片外包長(zhǎng)方體尺寸約為38 mm×45 mm×15 mm。

1.1 點(diǎn)云的處理

測(cè)量得到的數(shù)據(jù)稱(chēng)為點(diǎn)云，即由大量孤點(diǎn)形成的模型。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量一般較大，如直接利用Geomagic Studio軟件進(jìn)行建模會(huì)增加建模過(guò)程的難度，因此通常會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一采樣顯示，此處將采樣比率設(shè)為10%。圖2為經(jīng)過(guò)一次掃描得到的局部葉片點(diǎn)云模型，經(jīng)過(guò)多次掃描拼接便可得到一個(gè)完整的葉片點(diǎn)云模型。但此時(shí)得到的還是一個(gè)相對(duì)較為粗糙的模型，精度還達(dá)不到封裝成多邊形片體的要求。提高點(diǎn)云模型質(zhì)量的方法一般有三種，分別為去除模型體外孤點(diǎn)、去除非連接項(xiàng)、減少模型噪聲[5]。前兩種方法是刪去模型中與主體距離較大的點(diǎn)以使模型更加平整，而第三種方法是將系統(tǒng)中識(shí)別出的噪點(diǎn)移動(dòng)到模型主體上，該操作不會(huì)減少點(diǎn)云的采點(diǎn)數(shù)量。

圖1 渦輪葉片實(shí)物圖 圖2 局部點(diǎn)云模型

通過(guò)不同角度的兩個(gè)掃描周期得到兩個(gè)質(zhì)量相對(duì)較高的完整點(diǎn)云模型，為了提高模型精度，將兩次掃描結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)注冊(cè)。本文采用多點(diǎn)對(duì)齊的方式，在兩個(gè)點(diǎn)云模型對(duì)應(yīng)的特征位置進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)，如圖3所示，通過(guò)對(duì)上部?jī)煞鶊D的對(duì)齊操作可以得到下部更為完整的葉片模型，其中平均移動(dòng)距離為0.163 753 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.053 206 mm。

圖3 點(diǎn)云模型對(duì)齊

1.2 模型的建立

對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行封裝處理，可以將其封裝為多邊形片體，將點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)化為多邊形對(duì)象。為了得到更好的多邊形模型，一般要對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)、平滑、填充等操作，即修復(fù)多邊形的缺陷，減少多邊形數(shù)目，消除高曲率、釘狀物以平滑表面，填充模型表面缺失等問(wèn)題。此時(shí)得到的多邊形葉片模型已不是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而是將點(diǎn)云中相鄰的點(diǎn)連成若干個(gè)三角形，再由這些三角形相連接形成模型表面[6]。不同于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此時(shí)的葉片模型已經(jīng)是一個(gè)整體。

多邊形模型的表面由共邊三角形連接而成，其平滑度達(dá)不到要求，需要將多邊形模型轉(zhuǎn)化成精確曲面模型。精確曲面模型是由一組四邊形曲面片所包成的片體模型。將多邊形模型轉(zhuǎn)化成精確曲面模型大致可以分為4個(gè)階段，即輪廓線階段、曲面片階段、柵格階段和曲面階段。進(jìn)行輪廓線編輯是為了將模型中曲率變化較大的區(qū)域區(qū)分開(kāi)，將曲率變化較小的區(qū)域劃分在一起，形成一個(gè)曲面片，曲面片最終應(yīng)為四邊形。為了盡可能地降低模型中曲面片的數(shù)量，需要對(duì)各曲面片進(jìn)行柵格處理，一個(gè)曲面片中的柵格越密集就越能表現(xiàn)該曲面片的細(xì)節(jié)。最終經(jīng)過(guò)擬合曲面操作可以得到如圖4所示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片模型，該模型能夠以“.igs”、“.3ds”和“.x_t”等格式文件輸出到CAD等系統(tǒng)中進(jìn)一步使用。

1.3 分析評(píng)估

為了評(píng)估所得模型的準(zhǔn)確性，對(duì)最終所得模型進(jìn)行偏差分析，主要對(duì)以下4個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。

(1) 標(biāo)準(zhǔn)偏差S，表示偏差的離散程度，即：

(2) RMS，表示均方根，能夠反映數(shù)據(jù)的可靠性:

其中：di為一組分析值與參考值的偏差。

(3) 平均距離，從分析體到參考體上任意一點(diǎn)的平均偏差距離。

(4) 最大距離，從分析體到參考體上任意一點(diǎn)的最大偏差距離，分為正負(fù)兩個(gè)方向。

由于在點(diǎn)云處理過(guò)程中最終點(diǎn)云模型是由兩組點(diǎn)云經(jīng)對(duì)齊操作得到，因此在選定偏差分析參考體時(shí)將兩組參考體分別命名為參考體1和參考體2，偏差分析云圖如圖5所示。從圖5中可以看出偏差基本集中于色譜中部，說(shuō)明建模效果較為良好，偏差分析具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 渦輪葉片模型 圖5 偏差分析云圖

表1 偏差分析對(duì)比表 mm

2 總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)零部件建模方式不適用于曲面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的渦輪葉片的問(wèn)題，本文采用逆向建模技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行精確建模，通過(guò)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)獲得渦輪葉片的點(diǎn)云文件，利用Geomagic Studio軟件建立點(diǎn)云模型、多邊形模型，最終得到葉片的精確模型。偏差分析結(jié)果表明所得葉片模型具有較高精度。