1、上海模具設計培訓、基于UG的飛機發動機葉片造型的方法研究 摘要：葉片是航空發動機的關鍵部件之一，針對其結構的復雜性和不規則性，介紹了基于UG 的飛機發動機葉片造型方法。指出了造型過程中的難點和重點問題是：如何使葉片剖面對應的樣條曲線經放樣后成為光滑曲面，以及阻尼臺的造型方法。以某飛機發動機葉片為例，對葉片造型中的幾個問題進行分析，驗證了其造型方法的可行性。結果表明：應用UG 軟件的曲面造型功能，使葉片的設計開發變得精確，進一步提高了葉片的設計效率和加工精度。 關鍵詞：UG；葉片；阻尼臺；曲面造型 1 引言 葉片作為航空發動機的關鍵部件之一，其特點（上海數控模具培訓）是結構復雜，數量種

2、類繁多。隨著對發動機性能要求的提高，葉片的形狀更趨復雜，加工更為精密，因此葉片的精確幾何造型就成了葉片加工的必要前提。而葉片形狀的不規則性及復雜性，使得葉片實體建模較一般實體造型更為復雜多變1。 UGNX 軟件是集成機械化的CAD/CAM/CAE 軟件，在復雜曲面造型、裝配處理速度以及繪圖效率等方面有很強的優越性，目前廣泛用于航空、航天、汽車、模具、通用機械和家用電器等領域。UG軟件在裝配處理速度、復雜曲面造型以及繪圖效率等功能方面有很大的優越性；同時UG所建立的3D 曲面模型，將成為整個設計生產流程的核心，它可以接受及輸出完整的文件資料，對復雜曲面進行精確而完整的幾何分析，這將為后續葉片的精

3、確加工提供強有力的理論基礎。 2 基于UG 的葉片造型 以某航空發動機葉片為例，它由葉身、榫頭和阻尼臺組成。葉身界面是具有一定彎度的葉型。各截面的形狀和相對位置沿葉高是變化的并存在扭向。榫頭是轉子葉片與盤聯結和承力的重要部位，而阻尼臺則是在轉子葉片葉身( 一般葉片較大或較長) 葉身中部凸出的用于阻尼葉片振動的凸臺。在確定造型方案時，將葉片分為葉身、榫頭和阻尼臺三部分分別造型2。 2.1 葉片的原始造型數據 葉片幾何造型實質就是要找到一種數學方法來描述葉片曲面，該方法既能有效地滿足形狀表示和幾何設計要求，又便于形狀信息和產品資料交換。幾何造型用的葉片原始資料是根據流體力學原理計算出來的沿葉高方向

4、上的截面型值點數據3。 2.2 葉身的造型 由于給定的原始數據在截面內不能簡單地表示成單值函數，加之所給的葉片截面離散點數據是相對于整個葉片的，所以要對給定的坐標系進行調整，以便使葉片曲面實際建模時所采用的基準坐標系與工作坐標系保持一致。就葉身而言，各基準面之間是平行關系。 UG 軟件可以直接從*.dat 文件中讀入樣條點的數據，所以先將設計所提供的葉身的離散點數據，編譯成UG 所能識別的dat 的文件格式，存儲在計算機里。使用UG軟件的Spline(樣條) 命令，將葉身的離散數據點擬合成光滑精確的閉合曲線，得到如圖1 所示的曲線。 根據所給數據，在所選定的基準面上做出一系列的點和曲線，因為封

5、閉曲線的兩端是兩個不同半徑的圓弧，所以如何形成光滑的、連續的封閉曲線是造型中的重點和難點。相對于前緣的曲率，葉片葉身的曲率幾乎為零，葉片前端的局部可以簡化為與圓弧相切的兩條直線，如圖所示。將兩端圓弧與中間曲線連接，對圓弧進行修整剪切，再對連接的曲線進行光順，形成封閉的曲線。如圖3 所示，此為葉片一條剖面曲線。 如前所述，葉片空間各截面的形狀和相對位置隨葉（上海機械模具培訓）高是變化的。在利用UG 中自由曲面成型中的通過曲線( Through Curve) 功能將曲線擬合成曲面時，每條樣條的切線方向必須相同，否則擬合成的曲面將會發生空間扭曲。若已經形成方向不一致的曲線，可用分割曲線的方法，在曲線

6、上重新設立起始點，以改變起始點的方向，之后再進行合并。 整個葉片的曲面擬合是在光滑擬合曲線的基礎上進行的，大致可分為兩個過程。 ( 1) 基本擬合。通過選擇葉片曲線，生成過這些樣條曲線的曲面，然后加密曲面網格，以觀察曲面上曲率的變化情況。如果葉片曲面曲率變化不理想，需要重新選擇樣條曲線，再次擬合直到曲面形狀比較理想為止。 ( 2) 局部修改調整。如果擬合曲面上出現不光滑的凹凸現象，這時應找出不正常區域附近的曲線，通過調整擬合該曲線的個別點，重新擬合曲線，曲面。反復觀察調整，直至曲面圖象滿意為止。圖4 為利用UG 生成的葉身三維造型圖。 2.3 阻尼臺的造型 在阻尼臺的造型中，可采用實體切割的方

7、法。考慮到阻尼臺與葉身的相對位置關系，首先應根據設計數據及阻尼臺與葉身的相對位置關系確立出阻尼臺的基準平面。創建一個實體，用前面所建立的基準平面去切割實體，得到阻尼臺的大致形狀。在造型時引進葉身，用葉身來確定阻尼臺的空間位置，利用UG 中的軟倒圓功能在阻尼臺和葉身之間形成過度渡圓角。 根據設計要求和數據要求，對阻尼臺的基本形造型進行倒圓、倒角等細節處理，得到符合設計要求的阻尼臺。如圖5所示。 2.4 榫頭造型的實現 在進行榫頭造型時，考慮到榫頭形狀、榫頭與葉身的相對位置關系、榫頭在輪盤上的安裝位置以及榫頭的設計形狀是圓臺的一部分這些因素，首先，根據設計數據以及榫頭與葉身之間相對位置關系確定出壓

8、氣機軸所在基準面位置，并在此基準面上畫出壓氣機軸。然后，根據壓氣機軸與榫頭底面中心線之間的相對位置關系確定出圓臺兩端面圓的圓心位置，再通過基體放樣便可得圓臺。最后，將圓臺依照如下過程處理：選擇基準面繪制草圖凸臺拉伸凸臺上選一面作為基準面繪制草圖切除多余部分，完成榫頭造型。 依照設計要求及技術要求，將葉身與榫頭的造型完成后，將所有細節進行處理，如倒圓、倒角和過渡型面，最后得葉片實體圖( 如圖6 所示) 。 3 葉片三維造型的技術難點 由于給定的離散點數據排列不規則，在利用Through Curve功能進行曲面造型前需要先將離散數據通過插值算法規則化，形成剖分網格，然后再利用雙三次B 樣條來擬合扭

9、曲葉片表面。其優點是構造簡單、算法簡潔、幾何意義明確，能夠準確地求出特定X、Y坐標下的Z 值。 設區間a，b劃分形式如下： 由式( ) 可知，對應于以上劃分區間的三次（上海模具培訓）樣條插值函數可表示 對于如下邊界條件：給定兩邊界結點處的一階導數y' =f'( x0) ，yn'=f'( xn) ，并要求s( x) 滿足 由方程組( 5) 解出C1，C2，. ，Cn+1，再由式( 4) 計算出C0 和Cn+1，把所得的系數代入式( 2) 就得到關于上述邊界條件的三次樣條插值函數s( x) 。 在XOY平面上定義一矩形區域R：a，b×c，d。 在X軸和Y軸

10、上分別取 ' y：c=y0 < y1 < y2 < L < ym = d ' x：a=x0 < x1 < x2 < L < xm = b 由此得到一個區域R 上的矩形網格剖分。網格中網線交點為剖分節點，依據這些節點可以生成B 樣條曲面的控制頂點4。 將上述剖分' x 和' y 代入( 2) 式所示的三次插值樣條函數中，分別解出整個剖網格的節點數據系數c，以c 作為B 樣條曲面的控制點，利用曲面擬合即可得出整個葉型的雙三次樣條逼近曲面。 通過UGNX 自由形狀功能中的Through Curve 功能可以擬合出整個葉片的空間曲面，由于造型時使用的剖分網格比實際葉面可能要大一些，所以在必要時需進行邊