淺析航空螺旋槳槳葉的逆向設(shè)計方法論文
前言
航空螺旋槳作為使用活塞式發(fā)動機的固定翼航空器的主要推力來源，其設(shè)計性能和制造精度對航空器的功率利用效率、飛行性能、噪聲等有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的航空螺旋槳設(shè)計需要從其氣動性能要求出發(fā)，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(zhuǎn)關(guān)系，并根據(jù)動力需求確定螺旋槳直徑及槳葉數(shù)目等;經(jīng)過此過程產(chǎn)生的螺旋槳是否能達到飛行器的性能要求，還有待通過試驗過程才能最終確定，設(shè)計周期長，成本高。
目前,工程領(lǐng)域多數(shù)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數(shù)據(jù)的采集，之后通過幾何建模方法得到實物的三維模型，以此模型為基礎(chǔ)進行產(chǎn)品的再設(shè)計或者是加工制造。
逆向工程可以縮短產(chǎn)品再設(shè)計與制造的周期，特別是針對具有復(fù)雜型面的產(chǎn)品，其優(yōu)點更加突出。所以，將其用于航空螺旋槳的設(shè)計過程中，利用已有的螺旋槳設(shè)計方案為基礎(chǔ)，可以節(jié)約設(shè)計成本和縮短設(shè)計周期，而且，以得到的反求方案為基礎(chǔ)加以修改，也更容易得到性能優(yōu)異的新型螺旋槳。
在文獻中，很多學(xué)者對逆向工程的相關(guān)技術(shù)進行了研究，但是很少見針對航空螺旋槳的逆向設(shè)計研究。在此，以某型發(fā)動機配套螺旋槳為研究對象，介紹了航空螺旋槳槳葉逆向設(shè)計的一般過程及方法。
1 航空螺旋槳槳葉的逆向設(shè)計過程
1.1 數(shù)字測量
零件原型的`數(shù)字測量，即點云數(shù)據(jù)的采集，是將模型曲面以空間點的形式離散化得到點云，以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行曲面重建和模型評定，因此點云數(shù)據(jù)的采集精度就成為逆向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前，常用的點云數(shù)據(jù)采集方法有三種。
接觸式三坐標測量機測量。其特點是測量精度較高，測量效率較低。由于測量時需接觸被測件，易劃傷零件表面。適用于進行點、特征線、孔等幾何特征的測量。
線狀激光束測量。該方法投影周期性光柵至被測件表面，通過對光柵圖像數(shù)據(jù)的處理解算，求出被測件表面的空間信息，其特點是可進行大面積測量、測量速度快，但僅限于較平坦曲面的測量，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，限定一個測量范圍，利用光學(xué)掃描系統(tǒng)獲取零件的表面數(shù)據(jù)，并用數(shù)碼相機進行特征標志點的三維坐標位置的獲取。該方法為非接觸測量，不會被測零件表面產(chǎn)生影響， 對結(jié)構(gòu)復(fù)雜或尺寸較大的零件可以分塊測量，測量速度快，點云密集，精度高。
本文采用線狀激光束測量方法， 利用加拿大Creatform 公司生產(chǎn)的MAXscan 大范圍精密手持式自動定位三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，該掃描儀的精度可以達到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 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理在逆向設(shè)計中十分重要，其結(jié)果好壞關(guān)乎建模精度。點云數(shù)據(jù)處理一般包括奇異點排除及噪聲濾波、多視拼合、數(shù)據(jù)精簡等工作。
本文利用CATIA軟件自帶的功能， 通過手動的方式排除異常點，通過利用高斯濾波方法對點云數(shù)據(jù)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，對點云數(shù)據(jù)進行精簡，精簡后點云數(shù)據(jù)為408898 個。
1.3 基于CATIA 的三維模型重構(gòu)
三維模型的曲面重建目的就是要恢復(fù)實物模型的曲面形狀，并要求恢復(fù)的曲面形狀能夠盡可能地反映出原曲面所具有的形狀特征。在獲取了經(jīng)過預(yù)處理的散亂數(shù)據(jù)后，三維模型的曲面重建工作是后續(xù)處理的關(guān)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(chǔ)。
本文利用CATIA 軟件作為建模工具， 完成了螺旋槳槳葉的模型建立。
1.3.1 點云分塊
根據(jù)螺旋槳的設(shè)計規(guī)律，槳螺旋槳槳葉劃分為主要工作面，槳根及連接，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，槳根及連接用于槳葉與槳轂的安裝并保證槳根強度，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(gòu)建
槳主要工作面的構(gòu)建采用多截面曲面的方法進行構(gòu)建， 利用CATIA 軟件的DSE 模塊和QSR 模塊進行截面曲線的構(gòu)建，并利用創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊進行曲面的構(gòu)建。
1.3.3 將根曲面構(gòu)建
槳根部分曲面構(gòu)建與槳主要工作面的構(gòu)造類似，但是因為此部分不是主要工作面，因此構(gòu)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(gòu)建
槳尖部分主要維持形狀，類似主工作面構(gòu)建過程，適當(dāng)減少截面，并保證封閉即可。
1.3.5 曲面拼接及光順性檢驗
將分塊構(gòu)建的曲面進行拼接以形成完整的螺旋槳槳葉外形，并保證生成的槳葉外形滿足切線連續(xù)。
1.4 建模精度分析
由于點云數(shù)據(jù)采集、整理及曲線曲面重構(gòu)時會出現(xiàn)偏差和模型的失真， 所以對重構(gòu)后的模型進行建模精度分析并修改是必不可少的。本文利用CATIA 軟件自帶的偏差分析功能， 對重建后的螺旋槳進行了精度分析。
由于對航空螺旋槳槳葉逆向設(shè)計的偏差要求及標準并沒有明確規(guī)定，此處以螺旋槳槳葉重構(gòu)模型對點云數(shù)據(jù)的法向偏差值作為評定依據(jù)，本文采用螺旋槳尺寸為850mm(槳尖至旋轉(zhuǎn)軸中心距離)，設(shè)定主要工作面偏差值在-0.5mm 至+0.5mm 之間為可接受范圍，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后緣個別點出現(xiàn)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(jié)論
對逆向設(shè)計進行了全面的分析與介紹，并通過一個實例演示了航空螺旋槳的逆向設(shè)計的完整過程。采用逆向設(shè)計的方法，在保證性能及使用要求的前提下，大大縮短了螺旋槳的設(shè)計開發(fā)周期，對航空螺旋槳的設(shè)計具有一定的借鑒意義。
【淺析航空螺旋槳槳葉的逆向設(shè)計方法論文】相關(guān)文章：
工業(yè)設(shè)計中逆向設(shè)計思路初探論文11-11
逆向思維在款式設(shè)計中的表現(xiàn)與運用論文11-19
淺析航空院校科技創(chuàng)新能力結(jié)構(gòu)差異論文11-05
關(guān)于逆向思維的論文04-24
關(guān)于逆向思維論文05-04
淺析辦公空間設(shè)計趨勢論文01-06
淺析辦公空間設(shè)計思路論文01-06
淺析對設(shè)計思維的認識論文11-20