基于UG的发动机压气机叶轮叶型曲面重构研究

 蔚敬斌

 （山西交通职业技术学院，山西  太原  030031）

  摘要：基于UG软件通过曲面参数编辑、曲面处理等步骤，实现发动机压气机叶轮叶型NURBS曲面的重构。

  关键词：叶轮叶型；NURBS曲面；UG 中图分类号：TP3 91.7

  0  引言

 增压器是实现发动机增压的主要部件，随着涡轮增压技术的日趋成熟及发动机强化程度的提高，涡轮增压已发展成为一种主要的增压方式，尤其在缸数大于4、功率在30 kW以上的四冲程柴油机上得到广泛应用。压气机叶轮是涡轮增压器中最重要的元件，为了追求高效率和宽广流量范围的目标，使得压气机叶轮叶型曲面的设计相当复杂。长期以来，各国学者为了设计出高性能压气机进行了广泛而深入的研究，取得了很多可喜的成果。

 在逆向工程中，实物的三维CAD模型重建是整个工程中最关键、最复杂的一环，这是因为在接下来的模型仿真、CAE分析、与实物误差比较分析、实物重构、数控加工等环节均需要对实物样件进行还原。叶型曲面三维重构主要包括测量数据预处理、边界曲线构建和曲面构建等内容。本文利用逆求软件UG强大的数据处理、曲线和曲面拟合功能，结合逆求工程技术的造型理论，对压气机叶轮叶型曲面进行三维重构方法研究。

1  基本曲面参数化

 基本曲面参数化，即测量点的参数化，用来确定B样条曲面相对于散乱数据点的位置参数。其具体方法是：首先构造一个初始曲面，此初始曲面是对最终拟合曲面的第一次逼近，先将测量点分别投影到初始曲面，然后再将各投影点作为测量点的曲面拟合的位置参数进行最小二乘曲面拟合。

 基本曲面是对数据点的最佳逼近曲面，理想情况下等于初始的测量曲面。初始曲面是对基本曲面的第一次逼近，本文可通过4条边界及点云来定义叶型的初始曲面。然后，投影测量点到初始曲面，投影方向既可由曲面法向也可由投影矢量确定，投影过程由最小二乘法实现，即：

最小二乘曲面拟合。参数化后的叶轮叶型曲面如图1图2所示。

 可通过重新参数化曲面来提高曲面的质量，具体方法如下：

 (1)增加面的阶次。如果现有的阶次不足以表达复杂的面模型，必须对曲面升阶，使其阶数足以描述复杂的几何形状。一般地，4阶曲面足以描述绝大多数的几何形状。

 (2)调整面的控制点。升阶得到的曲面与点云的误差没有改变，仍然很大，需调整其控制点，使其在保证一定的光顺性的同时，充分逼近点云。

 调整控制点时，先调整一个方向的控制点，使其贴近点云，再调整其他方向；先一排一排地调整控制点，当曲面整体跟点云逼近时，再单个调整控制点；在调整控制点的过程中，打开曲面诊断工具，以帮助控制曲面的品质。

 叶型曲面在调整过程中，主要考虑的是等Z（压气机叶轮高度方向尺寸）和等R（压气机叶轮回转半径范围内尺寸）截面线曲率的变化，确保各条截面线曲率无突变产生，保持曲率连续。同时考虑曲面的阶次能否描述叶型曲面的几何形状，通过调整曲面控制点，最终得到如图3、图4和图5所示的叶型。

2  曲面处理

2.1  曲面延伸

 因为压气机叶轮叶型曲面属于A级曲面，其曲面质量直接影响发动机在整个进气过程中的进气质量和进气效率，为了更好地配合增压系统提高发动机功率，在进行曲面延伸时，需要保证其曲面的曲率连续。

 将叶型曲面的边界延伸（曲率连续），使其与叶轮轮毂面、外圆面相交，这样可确定叶轮叶型曲面的边界。

 沿等Z向分割点云，通过最小二乘曲线逼近得到多条B样条曲线。将曲线延伸，保持曲率连续。

 重新参数化延伸后的叶型曲面，以保证曲面的曲率变化趋势与曲线走势相一致，如图6所示。

2.2  曲面修剪

 在进行曲面修剪时，须保证修剪完成的曲面边界曲率连续，同时要求曲面质量与修剪前保持一致，不允许有曲面褶皱、曲面折叠、曲面断裂等现象的出现。

 通过Construct | Intersection | With  surface命令求得叶型曲面与轮毂面、外圆面的交线，如图7所示。剪切掉两边延伸多出来的曲面，由Modifyl Snip | SnipSurface命令实现，如图8所示，这样就得到叶型曲面的边界。

2.3  曲面连接

 由于压气机叶轮在压缩空气过程中，进出口圆角与压力面、吸力面的连接质量直接影响进气阻力的大小及进气量的多少，因此在进行曲面连接时，因连接曲面都各自保持其曲率连续，所以其连接位置必须保证相切连续。

 将大、小叶片的压力面、吸力面与其各自的进出口圆角曲面相连接，可通过命令Modify | Continuity |Match 2 surface完成，且在连接处保持相切连续，如图9、图10所示。

 经过上述的曲面操作后，可得到一对完整的大小叶片的叶型曲面模型，该曲面模型的质量直接影响后续压气机叶轮实体模型的重构质量，如图11～图14所示。

3小结

 在重构叶型曲面时，首先对测量点云数据进行预处理，通过异常点去除、数据精简、数据平滑等操作，剔除杂点；针对叶轮叶型曲面曲率变化大、光顺程度高的要求，采用最小二乘法拟合叶型边界曲线；通过多种曲面构建方法的比较，最终采用基于边界和点云的方法

重构叶型曲面，在曲面重构过程中，通过增加面的阶次和调整面的控制点来控制曲面精度和光顺性。

 通过上述的曲面重构方法研究，为后续的压气机叶轮实体模型的创建、重构误差分析、仿真分析、实体模型加工提供了前期的准备和基础。