航空螺旋槳槳葉的逆向設計方法研究

吳 江 王 鋒 周國慶 項 松

（沈陽航空航天大學遼寧通用航空重點實驗室，遼寧 沈陽110136）

0 前言

航空螺旋槳作為使用活塞式發動機的固定翼航空器的主要推力來源，其設計性能和制造精度對航空器的功率利用效率、飛行性能、噪聲等有著至關重要的影響。傳統的航空螺旋槳設計需要從其氣動性能要求出發，選擇合適的翼型，確定其不同截面的弦長、厚度、及截面間的扭轉關系，并根據動力需求確定螺旋槳直徑及槳葉數目等[1]；經過此過程產生的螺旋槳是否能達到飛行器的性能要求，還有待通過試驗過程才能最終確定，設計周期長，成本高。

目前,工程領域多數逆向工程的研究為實物的逆向建模，適用測量工具對實物進行數據的采集，之后通過幾何建模方法得到實物的三維模型，以此模型為基礎進行產品的再設計或者是加工制造。[2]

逆向工程可以縮短產品再設計與制造的周期，特別是針對具有復雜型面的產品，其優點更加突出。所以，將其用于航空螺旋槳的設計過程中，利用已有的螺旋槳設計方案為基礎，可以節約設計成本和縮短設計周期，而且，以得到的反求方案為基礎加以修改，也更容易得到性能優異的新型螺旋槳。

在文獻[3-10]中，很多學者對逆向工程的相關技術進行了研究，但是很少見針對航空螺旋槳的逆向設計研究。在此，以某型發動機配套螺旋槳為研究對象，介紹了航空螺旋槳槳葉逆向設計的一般過程及方法。

1 航空螺旋槳槳葉的逆向設計過程

1.1 數字測量

零件原型的數字測量，即點云數據的采集，是將模型曲面以空間點的形式離散化得到點云，以點云數據為基礎進行曲面重建和模型評定，因此點云數據的采集精度就成為逆向設計的關鍵技術之一。[3]

目前，常用的點云數據采集方法有三種。

接觸式三坐標測量機測量。其特點是測量精度較高，測量效率較低。由于測量時需接觸被測件，易劃傷零件表面。適用于進行點、特征線、孔等幾何特征的測量。[3]

線狀激光束測量。該方法投影周期性光柵至被測件表面，通過對光柵圖像數據的處理解算，求出被測件表面的空間信息，其特點是可進行大面積測量、測量速度快，但僅限于較平坦曲面的測量，曲率變化大的曲面測量精度將大大下降。[3]

光柵投影式測量。測量時，投影光柵至被測零件表面，限定一個測量范圍，利用光學掃描系統獲取零件的表面數據，并用數碼相機進行特征標志點的三維坐標位置的獲取。該方法為非接觸測量，不會被測零件表面產生影響，對結構復雜或尺寸較大的零件可以分塊測量，測量速度快，點云密集，精度高。[3]

本文采用線狀激光束測量方法，利用加拿大Creatform公司生產的MAXscan大范圍精密手持式自動定位三維激光掃描儀進行數據采集，該掃描儀的精度可以達到0.05mm，掃描速度約36000點/秒。利用其測量螺旋槳，共得到離散點876228個，點云數據如圖1。

1.2 數據處理

數據處理在逆向設計中十分重要，其結果好壞關乎建模精度。點云數據處理一般包括奇異點排除及噪聲濾波、多視拼合、數據精簡等工作。[4]

圖1 螺旋槳槳葉測量點云數據

本文利用CATIA軟件自帶的功能，通過手動的方式排除異常點，通過利用高斯濾波方法對點云數據進行濾波和光順處理，充分考慮建模精度以及建模效率的影響，對點云數據進行精簡，精簡后點云數據為408898個。精簡后螺旋槳槳葉點云如圖2。

圖2 處理后點云

1.3 基于CATIA的三維模型重構

三維模型的曲面重建目的就是要恢復實物模型的曲面形狀，并要求恢復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。在獲取了經過預處理的散亂數據后，三維模型的曲面重建工作是后續處理的關鍵步驟，大量的研究成果已為曲面造型與重建提供了理論基礎。

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 點云分塊

根據螺旋槳的設計規律，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度，槳尖部分為非主要工作表面維形即可。據此將點云分割如圖3：

圖3 點云分塊示意

1.3.2 槳主要工作面構建

槳主要工作面的構建采用多截面曲面的方法進行構建，利用CATIA軟件的DSE模塊和QSR模塊進行截面曲線的構建，并利用創成式外形設計模塊進行曲面的構建。

槳主要工作曲面的構建過程如圖4所示。

1.3.3 將根曲面構建

槳根部分曲面構建與槳主要工作面的構造類似，但是因為此部分不是主要工作面，因此構建時可減少截面的選取，這很好的保證了曲面的光順性。

槳根曲面的構建過程如圖5所示。

圖4 槳葉主要工作面構建過程

圖5 槳根構建過程

1.3.4 槳尖構建

槳尖部分主要維持形狀，類似主工作面構建過程，適當減少截面，并保證封閉即可。具體構建過程如圖6：

圖6 槳尖構建過程

1.3.5 曲面拼接及光順性檢驗

將分塊構建的曲面進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。

在拼接前檢驗曲面間的連接性，保證曲面之間沒有間隙，并且是切線連續的，檢驗過程如圖7所示。

圖7 曲面連續性及光順性檢驗

從圖中還可以看出，曲面間不僅能滿足切線連續，并且生成的槳表面是光順的。

1.4 建模精度分析

由于點云數據采集、整理及曲線曲面重構時會出現偏差和模型的失真，所以對重構后的模型進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，對重建后的螺旋槳進行了精度分析。

由于對航空螺旋槳槳葉逆向設計的偏差要求及標準并沒有明確規定，此處以螺旋槳槳葉重構模型對點云數據的法向偏差值作為評定依據，本文采用螺旋槳尺寸為850mm（槳尖至旋轉軸中心距離），設定主要工作面偏差值在-0.5mm至+0.5mm之間為可接受范圍，而槳根及槳尖處對精度在原則上沒有要求。

對槳的主要工作面的精度分析，以及對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別點出現超差，放大超差點進行仔細觀察，可以認為超差點是噪點，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 結論

對逆向設計進行了全面的分析與介紹，并通過一個實例演示了航空螺旋槳的逆向設計的完整過程。采用逆向設計的方法，在保證性能及使用要求的前提下，大大縮短了螺旋槳的設計開發周期，對航空螺旋槳的設計具有一定的借鑒意義。

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