淺析航空螺旋槳槳葉的逆向設計方法論文

淺析航空螺旋槳槳葉的逆向設計方法論文

　　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，其設計效能和製造精度對航空器的功率利用效率、飛行效能、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效能要求出發，選擇合適的翼型，確定其不同截面的弦長、厚度、及截面間的扭轉關係，並根據動力需求確定螺旋槳直徑及槳葉數目等;經過此過程產生的螺旋槳是否能達到飛行器的效能要求，還有待透過試驗過程才能最終確定，設計週期長，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資料的採集，之後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製造。

　　逆向工程可以縮短產品再設計與製造的週期，特別是針對具有複雜型面的產品，其優點更加突出。所以，將其用於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週期，而且，以得到的反求方案為基礎加以修改，也更容易得到效能優異的新型螺旋槳。

　　在文獻中，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物件，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，即點雲資料的採集，是將模型曲面以空間點的形式離散化得到點雲，以點雲資料為基礎進行曲面重建和模型評定，因此點雲資料的採集精度就成為逆向設計的關鍵技術之一。

　　目前，常用的點雲資料採集方法有三種。

　　接觸式三座標測量機測量。其特點是測量精度較高，測量效率較低。由於測量時需接觸被測件，易劃傷零件表面。適用於進行點、特徵線、孔等幾何特徵的測量。

　　線狀鐳射束測量。該方法投影週期性光柵至被測件表面，透過對光柵影象資料的處理解算，求出被測件表面的空間資訊，其特點是可進行大面積測量、測量速度快，但僅限於較平坦曲面的測量，曲率變化大的曲面測量精度將大大下降。

　　光柵投影式測量。測量時，投影光柵至被測零件表面，限定一個測量範圍，利用光學掃描系統獲取零件的表面資料，並用數碼相機進行特徵標誌點的三維座標位置的獲取。該方法為非接觸測量，不會被測零件表面產生影響， 對結構複雜或尺寸較大的零件可以分塊測量，測量速度快，點雲密集，精度高。

　　本文采用線狀鐳射束測量方法， 利用加拿大Creatform 公司生產的MAXscan 大範圍精密手持式自動定位三維鐳射掃描器進行資料採集，該掃描器的精度可以達到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。

　　1.2 資料處理

　　資料處理在逆向設計中十分重要，其結果好壞關乎建模精度。點雲資料處理一般包括奇異點排除及噪聲濾波、多視拼合、資料精簡等工作。

　　本文利用CATIA軟體自帶的功能， 透過手動的方式排除異常點，透過利用高斯濾波方法對點雲資料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，對點雲資料進行精簡，精簡後點雲資料為408898 個。

　　1.3 基於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，並要求恢復的曲面形狀能夠儘可能地反映出原曲面所具有的形狀特徵。在獲取了經過預處理的散亂資料後，三維模型的曲面重建工作是後續處理的關鍵步驟， 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 軟體作為建模工具， 完成了螺旋槳槳葉的模型建立。

　　1.3.1 點雲分塊

　　根據螺旋槳的設計規律，槳螺旋槳槳葉劃分為主要工作面，槳根及連線，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，槳根及連線用於槳葉與槳轂的安裝並保證槳根強度，槳尖部分為非主要工作表面維形即可。

　　1.3.2 槳主要工作面構建

　　槳主要工作面的構建採用多截面曲面的方法進行構建， 利用CATIA 軟體的DSE 模組和QSR 模組進行截面曲線的構建，並利用創成式外形設計模組進行曲面的構建。

　　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。

　　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，並保證封閉即可。

　　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，並保證生成的槳葉外形滿足切線連續。

　　1.4 建模精度分析

　　由於點雲資料採集、整理及曲線曲面重構時會出現偏差和模型的失真， 所以對重構後的模型進行建模精度分析並修改是必不可少的。本文利用CATIA 軟體自帶的偏差分析功能， 對重建後的螺旋槳進行了精度分析。

　　由於對航空螺旋槳槳葉逆向設計的偏差要求及標準並沒有明確規定，此處以螺旋槳槳葉重構模型對點雲資料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 之間為可接受範圍，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，從分析可以看出，槳的主要工作面僅在前緣和後緣個別點出現超差，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。

　　2 結論

　　對逆向設計進行了全面的分析與介紹，並透過一個例項演示了航空螺旋槳的逆向設計的完整過程。採用逆向設計的方法，在保證效能及使用要求的前提下，大大縮短了螺旋槳的設計開發週期，對航空螺旋槳的設計具有一定的借鑑意義。