渦輪葉片參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

黃明，黃致建，郝艷華

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

渦輪葉片參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

黃明，黃致建，郝艷華

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種UG（Unigraphics NX）混合參數(shù)化建模生成渦輪葉片的方法 .利用UG提供的4種二次開(kāi)發(fā)工具及VC＋＋程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在UG環(huán)境下，完成渦輪葉片參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，并給出應(yīng)用實(shí)例.

渦輪；葉片；Unigraphics NX；二次開(kāi)發(fā)工具；參數(shù)化；VC＋＋

渦輪工作葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一，其作用是把高溫燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機(jī)械功，渦輪工作葉片是決定發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的主要零件之一［1］.所以，對(duì)渦輪葉片進(jìn)行強(qiáng)度和壽命分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常必要.分析及優(yōu)化的過(guò)程涉及到渦輪葉片模型尺寸的更新及修改，若采用傳統(tǒng)建模方法，每個(gè)尺寸單獨(dú)建模會(huì)占用大量的工作時(shí)間，效率低下，滿足不了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求.為方便后續(xù)的分析及優(yōu)化過(guò)程，建立一個(gè)精確的有限元參數(shù)化模型是必不可少的.參數(shù)化模型使產(chǎn)品具有了尺寸驅(qū)動(dòng)的能力，方便修改.目前，國(guó)際上使用比較廣泛的CAD軟件如Solidworks，Unigraphics NX，Pro／e等基本都具有參數(shù)化建模的能力.其中，Unigraphics NX（UG）在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、家電等領(lǐng)域應(yīng)用的十分廣泛.Unigraphics NX具有完善的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，提供了UG／OPEN GRIP和UG／OPEN API程序開(kāi)發(fā)模塊，以及UG／OPEN MenuScrip和UG／OPEN UIStyler兩個(gè)輔助開(kāi)發(fā)模塊等4個(gè)功能強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)模塊［2］.它們都擁有良好的高級(jí)語(yǔ)言接口，使得UG的造型功能和設(shè)計(jì)功能結(jié)合起來(lái)，方便開(kāi)發(fā)個(gè)性化的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng).本文采用UG／OPEN MenuScrip和UG／OPEN UIStyler模塊制作可視化的UG風(fēng)格的渦輪葉片參數(shù)化建模對(duì)話框，利用UG／OPEN API完成渦輪葉片模型的參數(shù)化建模.

1 Unigraphics NX參數(shù)化設(shè)計(jì)基本思想

目前，通過(guò)Unigraphics NX提供的二次開(kāi)發(fā)工具，可以采用變量表達(dá)式及編程技術(shù)等兩種方法實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化設(shè)計(jì).

1.1 設(shè)計(jì)變量表達(dá)式

該方法采用三維模型與程序控制相結(jié)合的方式，三維模型通過(guò)Unigraphics NX的交互界面創(chuàng)建.在創(chuàng)建好的三維模型基礎(chǔ)上，根據(jù)部件的設(shè)計(jì)要求，建立一組可以完全控制三維模型形狀和大小的設(shè)計(jì)參數(shù).參數(shù)化程序?qū)υ摬考脑O(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的查詢、修改，并根據(jù)新的參數(shù)值更新模型從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更 .它大部分應(yīng)用于形狀規(guī)整的零件構(gòu)建［3-5］，但缺點(diǎn)是對(duì)于模型的某些非固定尺寸，使用設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法控制三維模型形狀.

1.2 編程技術(shù)

UG軟件擁有良好高級(jí)語(yǔ)言接口，可利用UG／OPEN API二次開(kāi)發(fā)工具和C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，其各種形狀和大小的更改均由二次開(kāi)發(fā)程序?qū)崿F(xiàn).整個(gè)三維模型均可由程序驅(qū)動(dòng)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)Unigraphics NX中所有的功能，多用于復(fù)雜形體構(gòu)建［6-7］，但其缺點(diǎn)是編程工作量大.

2 渦輪葉片參數(shù)化建模

2.1 建模分析

渦輪葉片由葉冠、葉身、下緣板、伸根和榫頭等5大幾何特征組成，如圖1所示.其中：葉冠、下緣板、伸根和榫頭的三維實(shí)體均可由形狀固定的二維截面沿一根導(dǎo)引線運(yùn)動(dòng)掃描得到，而葉身實(shí)體建模則需要從型值點(diǎn)坐標(biāo)文件中讀取其葉盆截面線、葉背截面線、前緣和后緣的點(diǎn)云數(shù)據(jù).

如果采用完全程序控制的方法來(lái)完成渦輪葉片的參數(shù)化設(shè)計(jì)，葉冠、下緣板、伸根、榫頭部分雖然形狀規(guī)整，但是包含大量的尺寸及幾何特征，需要浪費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行程序編制，拉長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，效率低下.如果采用基于三維模板的方式進(jìn)行參數(shù)化建模，葉身部分由不同截面掃掠而成，每個(gè)截面又是根據(jù)讀入的型值點(diǎn)數(shù)據(jù)按NURBS樣條構(gòu)造的，涉及生成NURBS樣條及保證截面線連接點(diǎn)處光順等關(guān)鍵問(wèn)題，三維模板無(wú)法解決.

因此，必須選用新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)渦輪葉片參數(shù)化建模，以縮短研制周期、降低成本及提高產(chǎn)品質(zhì)量.對(duì)于葉冠、下緣板、伸根、榫頭等形狀規(guī)整的部分，在完全由設(shè)計(jì)變量控制的三維模型模板的基礎(chǔ)上，由程序控制其設(shè)計(jì)參數(shù)的修改，從而實(shí)現(xiàn)模型的不斷更新；對(duì)于葉身部分，則采用UG／OPEN API二次開(kāi)發(fā)工具和C語(yǔ)言相結(jié)合的方式，由程序程序控制實(shí)現(xiàn)葉身建模.最后，利用程序控制渦輪葉片不同幾何特征求和，生成一個(gè)完整的渦輪葉片模型.

圖1 帶冠渦輪葉片模型Fig.1 Shrouded turbine blade model

2.2 葉冠等部分的參數(shù)化設(shè)計(jì)

1）根據(jù)葉冠等各部分特征，在UG建模環(huán)境下，創(chuàng)建可由設(shè)計(jì)參數(shù)完全驅(qū)動(dòng)的葉冠等幾何模型模板，并由表達(dá)式將設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，表達(dá)式包含了所有基本的設(shè)計(jì)意圖.

2）通過(guò)UG／OPEN MenuScrip定制用戶菜單，點(diǎn)開(kāi)渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)化平臺(tái)按鈕，將現(xiàn)用于調(diào)用生成葉冠等部分的對(duì)話框，如圖2所示.其部分程序語(yǔ)句如下：

3）通過(guò)UG／OPEN UIStyler定制查詢修改表達(dá)式的對(duì)話框，有葉冠、葉身、下緣板、伸根、榫頭，以及渦輪葉片俯視轉(zhuǎn)角等6個(gè)對(duì)話框 .以圖3所示的葉冠對(duì)話框?yàn)槔M(jìn)行介紹，鑒于篇幅有限，其它不一一贅述 .圖3中數(shù)字框里為所需輸入的數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入所需要的數(shù)據(jù)，可即時(shí)生成葉冠模型.

4）以C語(yǔ)言與UG／OPEN API相結(jié)合的方式，在VC＋＋6.0編程平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)查詢、顯示、更新表達(dá)式參數(shù)值及顯示更新模型的功能.其中，部分程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)句如下：

圖2 渦輪葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Fig.2 Parametric design platform of the turbine blade

圖3 葉冠二維輪廓參數(shù)設(shè)置對(duì)話框Fig.3 Two－dimensional contour parameter setting dialog box of the shroud

2.3 葉身的參數(shù)化設(shè)計(jì)

葉身部分在徑向、軸向都有扭曲，而且進(jìn)氣邊與排氣邊的變化十分劇烈，且葉身實(shí)體是由一組復(fù)雜曲面構(gòu)成，故對(duì)其表面質(zhì)量有很高的要求.為了獲得良好的后續(xù)分析及優(yōu)化結(jié)果，一個(gè)理想的葉身模型是不可缺少的［8］.

在UG中，樣條曲線都是用非均勻有理B樣條NURBS表示的，它能夠?qū)⒍螆A錐曲線和自由曲線統(tǒng)一起來(lái)，并且給用戶提供了更多的控制調(diào)整曲線形狀的能力.相比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式能更好的控制物體表面的曲線度，從而創(chuàng)建出更逼真、生動(dòng)的模型，葉片截面造型由獲取的型值點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)造.它分為葉盆、葉背、前緣圓弧、后緣圓弧4個(gè)部分，如圖4所示.

截面造型的要求是構(gòu)造由4條曲線光滑連接的封閉曲線 .采用如下構(gòu)造方法，可以保證在4條曲線連接點(diǎn)的地方依然保持光滑連續(xù).

1）在前緣及后緣圓弧處獲取關(guān)鍵點(diǎn)，如圖5所示.

2）通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)及葉盆、葉背數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造一條完整的葉身截面線，并通過(guò)函數(shù)提取這個(gè)葉身截面線上關(guān)鍵的構(gòu)造數(shù)據(jù)，如曲率半徑、斜率等，如圖6所示.

3）通過(guò)葉盆、葉背上的端點(diǎn)及前后緣關(guān)鍵點(diǎn)提取

圖4 初始葉身截面線Fig.4 Initial section line of blade body

圖5 提取前緣后緣的關(guān)鍵點(diǎn)Fig.5 Pick up the key point of leading edge and trailing edge

圖6 生成單條葉身截面線Fig.6 Generate a single blade body section line

曲率半徑、斜率，重新構(gòu)造前、后緣，以及葉盆、葉背的4條樣條曲線，如圖7所示.

利用如上所述的構(gòu)造方法，可以較完善的通過(guò)給定的葉型坐標(biāo)得到葉身截面線，并且可以保證前緣、后緣、葉盆、葉背4條樣條曲線在連接點(diǎn)依然保持光滑連續(xù).最后，通過(guò)一組葉身截面線創(chuàng)建葉身，如圖8所示.

圖7 4條曲線光滑連接的葉身截面線Fig.7 Four smooth connecting section lines of blade body

圖8 通過(guò)截面線組生成葉身Fig.8 Generate blade body through the section line

整個(gè)葉身的構(gòu)造過(guò)程由C語(yǔ)言與UG／OPEN API相結(jié)合的方式自動(dòng)控制生成，其中部分程序的開(kāi)發(fā)語(yǔ)句如下：

3 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證該平臺(tái)所生成模型的可行性和有效性，通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)完成驗(yàn)證，如圖9所示.首先進(jìn)入渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)采用多級(jí)對(duì)話框進(jìn)行控制，按渦輪葉片零件圖紙的數(shù)據(jù)依次對(duì)葉冠、葉身、下緣板、伸根和榫頭等部分進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入.其中：葉冠、葉身、下緣板和伸根的模型以三維模型的樣板形式構(gòu)建，程序僅控制設(shè)計(jì)參數(shù)的更改，以及依據(jù)模型樣板生成所需的模型，葉身的模型則完全由程序生成.將葉身型值點(diǎn)數(shù)據(jù)放入程序指定的文件夾即可通過(guò)平臺(tái)自動(dòng)生成，葉身空間定位及旋轉(zhuǎn)角度可在平臺(tái)中直接設(shè)定.

圖9 渦輪葉片實(shí)體模型的創(chuàng)建Fig.9 Creation of entity turbine blade model

每完成一部分模型的生成，均可直觀地在界面中進(jìn)行瀏覽，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改.在完成所需5個(gè)幾何特征的三維模型建模后，再通過(guò)設(shè)置渦輪葉片俯視圖數(shù)據(jù)，確定各個(gè)幾何特征之間相對(duì)角度，選擇更新模型按鈕.該平臺(tái)可將5個(gè)設(shè)計(jì)特征自動(dòng)按要求求和，生成渦輪葉片的實(shí)體模型.

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種UG混合參數(shù)化建模生成渦輪葉片的方法.以UG NX 7.5作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用C語(yǔ)言及UG二次開(kāi)發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片參數(shù)化平臺(tái)的設(shè)計(jì).利用此優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，按照新的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以迅速地建立渦輪葉片的三維實(shí)體模型，并用于后續(xù)的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地縮短了渦輪葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期.

［1］劉長(zhǎng)福.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［2］侯永濤，丁向陽(yáng).UG／Open二次開(kāi)發(fā)與實(shí)例精解［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］丁坤，潘亞嘉，張憲文，等.基于 UG的雙圓弧齒輪參數(shù)化建模［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2011，35（1）：46－47.

［4］崔亮.基于 UG的圓柱直齒輪參數(shù)化建模及有限元分析［J］.機(jī)械工程師，2010（3）：111－113.

［5］馬俊.基于特征技術(shù)的 UG參數(shù)化建模的研究［J］.機(jī)械工程及自動(dòng)化，2009（6）：179－182.

［6］何惠江，李楠.基于 UG OPEN／API的魚(yú)雷對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化建模［J］.魚(yú)雷技術(shù)，2011，19（1）：10－13.

［7］常江.一種機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及其UG二次開(kāi)發(fā)［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2006.

［8］白禹，張定華，任軍學(xué)，等.葉片高質(zhì)量造型方法研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003，22（3）：447－449.

Development of the Parametric Structural Design Platform for Turbine Blade

HUANG Ming，HUANG Zhi－jian，HAO Yan－h(huán)ua

（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

According to the structural characteristics of aircraft engine turbine blades，a UG （Unigraphics NX）hybrid parameterized modeling method for creating turbine blade is presented in this paper.In the UG environment，four kinds of secondary development tools provided by UG and the VC＋＋programming language is used to complete the development of parametric structural design platform for turbine blade parameters.Then the application examples are provided.

turbine；blade；Unigraphics NX；secondary development tools；parametric；VC＋＋

陳志賢 英文審校：楊建紅）

V 232.4

A

1000－5013（2012）04－0370－05

2011－12－09

郝艷華（1962－），女，研究員，主要從事工程機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研究.E－mail：haoyh＠hqu.edu.cn.

企事業(yè)單位委培項(xiàng)目（2010－2012年度））