基于UG 二次開發(fā)的葉片預鍛型線設(shè)計研究*

方文湛 呂彥明 沈子恒

（江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室 無錫 214122）

1 引言

在航空航天領(lǐng)域，航空葉片作為航空發(fā)動機的重要零件，被形象地比喻成工業(yè)皇冠上的掌上明珠［1］。葉片形狀復雜，其表面是一種復雜曲面，厚度薄，工藝性差，并且長期在高溫、高壓的惡劣工況下高速運動［2］，這也對葉片的質(zhì)量提出了較高的要求。葉片的生產(chǎn)經(jīng)歷了純機加工到熱模鍛再到精鍛的發(fā)展過程［3］。

近年來，國內(nèi)外學者對鍛造成形工藝進行了大量研究。D.S.Goryainv 等［4］基于渦輪葉片精鍛模具的復雜性，提出了渦輪葉片精鍛模具的設(shè)計準則和關(guān)鍵問題。Zbigniew等［5］用有限元法對精鍛模具的磨損情況進行了分析，得出坯料與模具的接觸時間與模具的磨損量成正相關(guān)。楊程［6］等通過實驗發(fā)現(xiàn)減少接觸高度可以降低模芯應力，從而提高爪極預鍛模具的壽命。龍朋［7］等研究葉片徑向鍛坯成型過程，發(fā)現(xiàn)適當提高相對壓下率能提高鍛造成形精度。孫紅鐿［8］等分析了航空鋁合金構(gòu)件不同形狀預制坯對填充、載荷等的影響。

在壓力機上生產(chǎn)的復雜類鍛件，為保證成型質(zhì)量，需采用多次變形工步，使毛坯逐漸接近鍛件形狀［9］。而預鍛作為其中一個重要過渡階段，對成形質(zhì)量有十分大的影響。在葉片預鍛體設(shè)計過程中，最為復雜的就是生成葉片預鍛型線，因此提高預鍛型線設(shè)計效率，對提高產(chǎn)品設(shè)計效率有著重要意義。

2 預鍛型線軟件設(shè)計

2.1 UG二次開發(fā)簡介

UG 自身的功能雖然十分強大，但不論是何種先進CAD 軟件，都難以滿足各行各業(yè)形形色色的產(chǎn)品設(shè)計需求。為更好滿足多方面的設(shè)計需求，UG 為用戶提供了UG/Open 二次開發(fā)模塊，主要由UG/Open Grip、UG/Open API、UG/Open UIStyle 以及UG/Open MenuScript 等四大功能模塊組成［10］。其中UG/Open API 是面向高級語言的二次開發(fā)編程接口，支持包括C/C++、C#、JAVA 等在內(nèi)的多種語言，API模塊功能十分強大，擁有2000多個函數(shù)庫，該方法對開發(fā)人員的編程水平要求較高。

2.2 預鍛型線設(shè)計步驟

在預鍛件設(shè)計過程中，預鍛體葉身曲面是通過多個截面的預鍛型線生成的，因此預鍛型線的快速生成是預鍛件生成的基礎(chǔ)。無錫某葉片廠葉片截面預鍛型線生成過程如下：

1）作某檔葉型中弧線；

2）作該檔型線最大內(nèi)切圓；3）根據(jù)終鍛變形量，計算預鍛型線厚度增量；4）分割終鍛型線中弧線，將中弧線分為進汽側(cè)出氣側(cè)，結(jié)果如圖1（a）所示；

圖1 預鍛型線設(shè)計流程示意圖

5）將上步所得的進、出汽側(cè)兩段中弧線等長分段，獲得每段線段的終點；

6）以每段線端點為圓心作內(nèi)切圓，做出內(nèi)背弧半徑連線，結(jié)果如圖1（b）所示；

7）依據(jù)第三步計算方法，計算進出汽側(cè)每個內(nèi)切圓半徑增量，各個直線端點即為預鍛型線特征點；

8）用樣條串聯(lián)各特征點，形成最終預鍛型線。最后結(jié)果如圖1（c）所示。

2.3 預鍛型線設(shè)計自動化軟件開發(fā)流程

預鍛型線設(shè)計自動化軟件所需的功能有：

1）中弧線自動生成；

2）最大內(nèi)切圓的定位與進出汽邊劃分；

3）中弧線進出汽邊兩側(cè)自動劃分為若干段；

4）終鍛變形量的交互輸入；

5）設(shè)計過程中，中弧線局部調(diào)整功能。

根據(jù)預鍛型線設(shè)計流程，以及對生成的型線局部調(diào)整的需求，通過UG 自帶的塊UI樣式編輯器生成用戶交互界面，并使用Visual Studio編譯器，使用C++進行預鍛型線自動生成模塊的開發(fā)，最后生成可調(diào)用的dll程序，整個流程如圖2所示。

圖2 功能模塊示意圖

3 預鍛型線自動設(shè)計功能開發(fā)

3.1 葉片中弧線生成方法

葉型中弧線為葉片型線內(nèi)切圓圓心的連線，在前后緣圓心處按切線方向延伸到與前后緣相交的線。目前求解葉片中弧線的方法主要有內(nèi)切圓法和等距線法兩種求解方式。

內(nèi)切圓法指的是在進行曲線擬合時，可以得出各節(jié)點的坐標和擬合曲線在此點的一階導數(shù)，以此為基礎(chǔ)，使用兩條相切的圓弧逼近擬合樣條曲線，最后可得一系列弧，由此將求內(nèi)切圓的問題轉(zhuǎn)化為過節(jié)點處做葉盆和葉背相應節(jié)點處兩圓弧的公切圓［11～12］。

但對于利用內(nèi)切圓法求解曲線模型的內(nèi)切圓來講，計算量大且使用二次開發(fā)實現(xiàn)較為困難，故從中弧線的定義出發(fā)，探索一條新的思路。內(nèi)切圓即同時與葉背曲線和葉盆曲線相切，那么其內(nèi)切圓圓心到兩條曲線的交點即切點的距離應該相等，基于此思想，張力寧等［13］提出等距離曲線偏置的方法求中弧線，使用不同的偏置距離偏置曲線，使得葉背和葉盆曲線從沒有交點到交點增加，一直到等距線沒有交點為止，最后對所求得的交點進行篩選、排序和曲線插值等，從而求得中弧線。等距偏置法求中弧線的過程如圖3所示。

圖3 等距偏置法生成中弧線過程

3.2 葉片中弧線自動生成功能開發(fā)

中弧線自動生成功能依據(jù)等距偏置法進行開發(fā)，因此首先需同時將葉盆葉背曲線相向偏置相同距離，并獲取兩條曲線的交點，并重復以上步驟，生成若干特征點，連接特征點，產(chǎn)生一條光順的樣條曲線，以此作為葉片中弧線。在UG/Open API 提供的函數(shù)中，UF_CURVE_create_offset_curve 函數(shù)可以用于生成某條曲線的偏置曲線，首先根據(jù)該函數(shù)所要求的參數(shù)列表，輸入需偏置的曲線的標簽值與偏置的距離，即可實現(xiàn)曲線的偏置。同時可以通過UF_MODL_intersect_curve_to_curve 即可快速判斷兩條偏置曲線交點個數(shù)以及交點坐標。結(jié)合以上兩個函數(shù)，即可實現(xiàn)本功能的開發(fā)。

根據(jù)偏置的距離r的不同，偏置得到的葉背葉盆曲線的交點個數(shù)也不盡相同：

1）當r從零開始逐漸增加，值偏小時，曲線的交點為零；

2）當r=r+Δ 時，利用等步長或者變步長的方式增加r的取值。隨著迭代次數(shù)的增加，等距線的交點也隨著增加，根據(jù)葉背葉盆曲線的特性分析可以得出，其交點的個數(shù)基本為1、2和3，最高不會超過3個交點；

3）當r增大到一定范圍，也就是前后緣的曲率半徑，偏置的等距線的相互交點個數(shù)會出現(xiàn)大于3個的現(xiàn)象。最為理想的狀態(tài)是兩條曲線的交點交于前后緣的某個圓心處，但是由于某些因素的影響，例如曲線光順等會造成交點個數(shù)過多的現(xiàn)象，此時的交點由于不確定性，所以不保留這些交點；

4）當r增大到等距線超出截面曲線的范圍時，交點應該為零，或者其交點的坐標值特別異常，很明顯這些點不屬于中弧線上的點。

由此可以確定中弧線生成中，葉盆葉背曲線偏置結(jié)束的條件為若本次產(chǎn)生交點數(shù)比上一次產(chǎn)生交點結(jié)果少，那說明以后的偏置不會再有交點，即可結(jié)束曲線偏置，實現(xiàn)邏輯如圖4所示，圖中fast表示本次偏置交點個數(shù)，slow表示上次偏置交點個數(shù)，r表示偏置距離。

圖4 中弧線自動生成模塊邏輯圖

根據(jù)以上代碼運行結(jié)果可產(chǎn)生一系列內(nèi)切圓圓心的點集，結(jié)果如圖5所示。

圖5 生成內(nèi)切圓圓心點集

最后調(diào)UF_CURVE_create_spline_thru_pts 函數(shù)即可根據(jù)以上點集創(chuàng)建光順樣條曲線，從而實現(xiàn)葉片中弧線的創(chuàng)建，最后結(jié)果如圖6所示。

圖6 根據(jù)內(nèi)切圓圓心點集創(chuàng)建中弧線

3.3 最大厚度圓心自動搜索功能開發(fā)

在葉片生產(chǎn)加工過程中，通過獲取最大厚度圓的信息可以確定葉型截面的最大厚度，用于保證葉片的厚度［14］，同時最大厚度圓也是中弧線劃分進氣側(cè)出氣側(cè)的劃分依據(jù)。

根據(jù)中弧線的定義，可以得知最大內(nèi)切圓圓心必定在中弧線上，在曲線偏置求交點的過程中，程序最后結(jié)束時只有兩種情況，即兩條偏置曲線無交點或者只有一個交點，如果有且僅有一個交點，說明這就是最大厚度圓圓心，如果無交點，說明最大厚度圓圓心在上一次的兩個交點之間。同時在軟件設(shè)計時，為了提高搜索的效率，我們需要將葉型曲線生成過程中，各交點所代表的內(nèi)切圓半徑記錄下來，在實際生產(chǎn)中，由于葉片截面與xoy平面平行，同時中弧線滿足y=f（x）的形式，因此采用了C++標準模板庫中的map 容器用于收集交點與其所代表的內(nèi)切圓半徑的信息。

map 是C++中的一種關(guān)聯(lián)容器，其中存儲的數(shù)據(jù)均按照key-value 的鍵值對形式存放，鍵值唯一，并且遍歷時會按照key 值的大小順序由小到大進行遍歷［15］。在葉型曲線偏置時，如果存在交點，便將交點的x坐標以及此時的曲線偏置距離存入到map 中，最后曲線偏置結(jié)束，重新遍歷一遍容器獲取內(nèi)切圓半徑最大的交點信息。

當最后交點為兩個時，采用分而治之的思路解決兩點間最大內(nèi)切圓問題，即將求解中弧線在兩點內(nèi)的最大厚度圓的問題，轉(zhuǎn)化為求解這個區(qū)間內(nèi)若干小區(qū)間最大厚度圓并比較得最優(yōu)解得問題。將Q（x1，x2）記為求解兩點間最大內(nèi)切圓問題，若x1與x2之間的距離未達到足夠小，則取兩點之間的中點m1，該問題可以分解為求解x1到m1間與m1到x2兩個區(qū)間內(nèi)最大內(nèi)切圓的求解的過程，其中兩個子問題又可以繼續(xù)往下劃分，直至兩點間的距離足夠小才可進行求解。問題求解后，即可進行問題的合并，將R（x1，m2）記作x1到m1之間的最大內(nèi)切圓的解，問題的合并即比較兩個子解間問題的最優(yōu)解，最優(yōu)解作為該問題的解，最后合并所有子問題，求得最終的結(jié)果。分治算法求解思路如圖7所示。

圖7 根據(jù)內(nèi)切圓圓心點集創(chuàng)建中弧線

當內(nèi)切圓位置以及半徑確定之后，調(diào)用NXOpen：：Features：：DivideCurveBuilder 類，以中弧線為輸入曲線，最大厚度圓圓心為分割點，實現(xiàn)曲線的分割。從而獲取最大內(nèi)切圓位置以及半徑。最后運行結(jié)果如圖8所示。

圖8 確定最大厚度圓并分割中弧線

3.4 中弧線進、出汽側(cè)等長分段開發(fā)

在完成中弧線的分割后，須將中弧線進氣側(cè)，出氣側(cè)進行等長的劃分，并以這些等分點為圓心，分別作內(nèi)切圓。

首先，通過UF_CURVE_ask_arc_ length 函數(shù)，輸入兩條曲線的標簽值，并采用公制單位，求得兩段曲線的長度。一般情況下，每段曲線長度取10mm，計算得每條曲線應分多少段。最后調(diào)用UF_MODL_ask_curve_props 函數(shù)，該函數(shù)可以求得某條曲線上，某一參數(shù)（即曲線起點到該點與曲線總長的比值）所在的點的坐標等信息。

采用以上方法，對進氣側(cè)、出氣側(cè)中弧線進行遍歷，實現(xiàn)自動等長分段功能，并作出以該點為圓心的內(nèi)切圓。最后實現(xiàn)效果如圖9 所示，圖中中弧線上的圓心即為等分點。

圖9 進出汽兩側(cè)中弧線自動劃分

4 預鍛型線自動設(shè)計軟件應用

本文最后采取以上方法作為核心模塊的算法，以UG10.0軟件為測試環(huán)境，采用Visual Studio 2013作為編譯器，使用C++語言進行開發(fā)。在UG 軟件自帶的塊UI 樣式編輯器中設(shè)計出自動化設(shè)計軟件的人機交互界面，界面最終效果如圖10所示。

圖10 預鍛型線自動設(shè)計軟件交互界面

打開軟件后，首先選取葉背曲線，葉盆曲線，作為中弧線等距偏置法生成的輸入，生成中弧線后，選擇中弧線，點擊第二個按鈕，程序自動計算最大厚度圓的位置以及半徑，并分割中弧線。該界面滿足調(diào)整進出汽側(cè)中弧線長度的要求，并可以手動加密分段，并且支持終鍛變形量的交互。

中弧線分割完之后，由于不同材料，不同結(jié)構(gòu)的葉片預鍛型線弦寬要求不同，所以需預留調(diào)整進、出汽兩側(cè)中弧線長度的窗口，方法為由兩側(cè)向內(nèi)縮減長度。確定調(diào)整策略后，程序自動計算進、出汽兩側(cè)中弧線分段數(shù)并顯示在界面上，界面變化如圖11所示。

圖11 交互界面動態(tài)變化

最后，根據(jù)實際需求，輸入終端變形量，分別生成延長線以及預鍛型線，點擊確定，獲得最終的結(jié)果，在MV030GW 型葉片的葉身某截面程序執(zhí)行結(jié)果如圖12所示。

圖12 預鍛型線自動設(shè)計結(jié)果

該預鍛型線若采用人工方式需花費約兩小時，且由于圓心較為密集，特別容易出錯，而采用自動生成軟件只需要一分多鐘，極大提高了預鍛型線生成效率，提高預鍛模體的設(shè)計效率。

5 結(jié)語

本文基于無錫某葉片廠預鍛線生成流程，在該葉片廠常用的UG10.0 軟件中使用二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)預鍛型線自動設(shè)計軟件，主要內(nèi)容有：

1）根據(jù)葉片中弧線定義，采用等距偏置法作為理論基礎(chǔ)，設(shè)計中弧線自動生成模塊實現(xiàn)了中弧線的準確快速生成。

2）將存儲在map 中的交點-內(nèi)切圓半徑信息進行遍歷，實現(xiàn)最大厚度圓的粗略定位，并采取分治法，將最大厚度圓圓心可能在的區(qū)域分為若干子區(qū)域，比較不同區(qū)域內(nèi)的內(nèi)切圓半徑，實現(xiàn)最大厚度圓圓心定位與半徑值。

3）在UG 塊UI 樣式編輯器中設(shè)計友好的用戶交互界面，用戶可在其中選擇程序運行所需的曲線以及終端變形量等參數(shù)，并提供了動態(tài)調(diào)整選項，用于滿足不同產(chǎn)品設(shè)計的需求。