基于Geomagic Studio的航空發動機葉片曲面建模

羅城仔,魏永超,鄧 嵐,鄧春艷

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

0 引言

航空發動機渦輪葉片在發動機工作時直接接觸燃氣混合氣，整個工作過程都處在高溫高壓高轉速的環境中，極易發生積垢、侵蝕、蠕變等現象，可使葉片型面發生改變，直接影響航空發動機的整體性能。傳統的工業零部件建模方式多是通過三維建模軟件進行草圖繪制，然后進行拔模等操作得到立體模型[1]，這種方法雖然更易于操作，但一定程度上對模型進行了簡化，僅適用于外形較為規則的物體[2]。對于渦輪葉片這類具有復雜型面的模型，需要一種更能表現葉片真實形態的建模方法。

不同于傳統的建模流程，逆向建模技術通過對既得實物的光學掃描獲得極其貼近物體真實形態的點云文件，對點云文件進行處理即可得到所需的精確模型[3]。逆向工程的光學掃描是基于所需建模的實物進行且精度達到亞毫米級，更符合所需建模物體的原生物理結構，對零部件的設計和再開發具有重要意義。Geomagic Studio具有強大的逆向建模能力，被廣泛應用于逆向建模領域[4]。本文應用Geomagic Studio軟件對某型航空發動機高壓渦輪葉片進行逆向建模，通過對點云模型的處理得到葉片的精確模型，最終結果表明所得葉片模型具有良好的平滑性和完整性，相較于采用傳統建模方法得到的模型具有更高精度。

1 逆向建模

通過實驗室自主研發的航空發動機葉片自動掃描融合系統采集點云數據，掃描精度為0.02 mm。測量用葉片為某型航空發動機高壓渦輪葉片，如圖1所示，該葉片外包長方體尺寸約為38 mm×45 mm×15 mm。

1.1 點云的處理

測量得到的數據稱為點云，即由大量孤點形成的模型。原始點云數據量一般較大，如直接利用Geomagic Studio軟件進行建模會增加建模過程的難度，因此通常會進行統一采樣顯示，此處將采樣比率設為10%。圖2為經過一次掃描得到的局部葉片點云模型，經過多次掃描拼接便可得到一個完整的葉片點云模型。但此時得到的還是一個相對較為粗糙的模型，精度還達不到封裝成多邊形片體的要求。提高點云模型質量的方法一般有三種，分別為去除模型體外孤點、去除非連接項、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以使模型更加平整，而第三種方法是將系統中識別出的噪點移動到模型主體上，該操作不會減少點云的采點數量。

圖1 渦輪葉片實物圖 圖2 局部點云模型

通過不同角度的兩個掃描周期得到兩個質量相對較高的完整點云模型，為了提高模型精度，將兩次掃描結果進行手動注冊。本文采用多點對齊的方式，在兩個點云模型對應的特征位置進行標點，如圖3所示，通過對上部兩幅圖的對齊操作可以得到下部更為完整的葉片模型，其中平均移動距離為0.163 753 mm，標準偏差為0.053 206 mm。

圖3 點云模型對齊

1.2 模型的建立

對點云模型進行封裝處理，可以將其封裝為多邊形片體，將點對象轉化為多邊形對象。為了得到更好的多邊形模型，一般要對模型進行修補、平滑、填充等操作，即修復多邊形的缺陷，減少多邊形數目，消除高曲率、釘狀物以平滑表面，填充模型表面缺失等問題。此時得到的多邊形葉片模型已不是點云數據，而是將點云中相鄰的點連成若干個三角形，再由這些三角形相連接形成模型表面[6]。不同于點云數據，此時的葉片模型已經是一個整體。

多邊形模型的表面由共邊三角形連接而成，其平滑度達不到要求，需要將多邊形模型轉化成精確曲面模型。精確曲面模型是由一組四邊形曲面片所包成的片體模型。將多邊形模型轉化成精確曲面模型大致可以分為4個階段，即輪廓線階段、曲面片階段、柵格階段和曲面階段。進行輪廓線編輯是為了將模型中曲率變化較大的區域區分開，將曲率變化較小的區域劃分在一起，形成一個曲面片，曲面片最終應為四邊形。為了盡可能地降低模型中曲面片的數量，需要對各曲面片進行柵格處理，一個曲面片中的柵格越密集就越能表現該曲面片的細節。最終經過擬合曲面操作可以得到如圖4所示的航空發動機渦輪葉片模型，該模型能夠以“.igs”、“.3ds”和“.x_t”等格式文件輸出到CAD等系統中進一步使用。

1.3 分析評估

為了評估所得模型的準確性，對最終所得模型進行偏差分析，主要對以下4個參數進行統計比較。

(1) 標準偏差S，表示偏差的離散程度，即：

(2) RMS，表示均方根，能夠反映數據的可靠性:

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的最大偏差距離，分為正負兩個方向。

由于在點云處理過程中最終點云模型是由兩組點云經對齊操作得到，因此在選定偏差分析參考體時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，說明建模效果較為良好，偏差分析具體參數見表1。

圖4 渦輪葉片模型 圖5 偏差分析云圖

表1 偏差分析對比表 mm

2 總結

針對傳統零部件建模方式不適用于曲面結構較為復雜的渦輪葉片的問題，本文采用逆向建模技術對航空發動機渦輪葉片進行精確建模，通過光學測量系統獲得渦輪葉片的點云文件，利用Geomagic Studio軟件建立點云模型、多邊形模型，最終得到葉片的精確模型。偏差分析結果表明所得葉片模型具有較高精度。