基于工业CT测量数据的空心涡轮叶片三维壁厚分析

航空发动机空心涡轮叶片的壁厚是保证叶片强度的一个非常重要的参数,需要生产阶段进行全面的检测.以涡轮叶片的锥束CT(computed tomography)图象序列和叶片CAD(computer aided design)模型为基础,给出一种基于模板的空心涡轮叶片三维法向壁厚自动分析方法.使用亚像素级边缘检测算法, 从叶片锥束CT图象序列提取叶片的高精度内、外表面点云数据,并进行空间栅格划分,以提高后续计算的效率.采用CAD驱动的模型配准方法实现叶片测量数据与CAD模型的可靠定位.依据叶片壁厚特征在叶片CAD模型上定义壁厚分析模板,通过壁厚分析模板与叶片点云数据的求交运算,得到对应区域的三维壁厚与壁厚偏差分布.使用一组仿真生成的叶片CT图象序列对三维壁厚计算精度进行验证.     

涡轮叶片锥束体积CT检测系统软件原型

给出了检测系统软件原型的总体结构和数据流设计.研究了图像序列快速重建、高精度图像边缘检测、叶片点云模型与CAD设计模型配准、叶片壁厚检测与铸造缺陷分析等关键模块的实现方法.软件原型由C 6.0编程实现.仿真测试表明该软件可基于空心涡轮叶片的锥束体积CT扫描数据对叶片的外型轮廓偏差、壁厚和铸造缺陷进行检测分析.     

基于中弧线的空心涡轮叶片壁厚计算方法研究

针对高精度复杂空心涡轮叶片壁厚测量问题,提出了一种基于中弧线的壁厚计算方法。通过对空心叶片CT切片数据的处理,建立了相应的点云数据测量模型,并与叶片CAD模型进行配准,实现了各截面数据点的提取与拟合,从而计算出了中弧线;在此基础上,运用UG二次开发平台求出了叶片各点的壁厚。实测结果表明:通过该方法能够精确计算复杂空心涡轮叶片的壁厚,提高空心叶片壁厚精度及其可靠性。     

基于简化点云带动的涡轮叶片快速配准技术

针对涡轮叶片密集点云数据与计算机辅助设计模型配准速率慢、耗费时间长的问题,提出基于简化点云带动涡轮叶片快速配准的方法。基于叶片的三维光学扫描数据和计算机辅助设计模型,采用均匀采样法和曲率采样法简化点云模型数据,通过最近点迭代和奇异值分解相结合的配准方法,实现叶片密集点云模型与计算机辅助设计模型的快速配准,并对配准精度和速度进行了统计分析。结果表明,基于均匀采样法简化的点云数据模型带动的配准,在保证配准精度的前提下能有效提高配准效率。     

一种基于工业CT的航空发动机涡轮叶片生产检测系统关键技术研究

基于工业CT的航空发动机涡轮叶片无损检测系统能对涡轮叶片进行无损、准确、高效和全方位的检测.检测系统软件使用叶片的CT切片图像建立叶片的三维数字样品模型,基于此模型进行叶片的尺寸检测、表面轮廓度偏差分析、壁厚分析以及铸造缺陷分析,给出最终的检测报告.主要研究与实现了叶片数字样品模型生成、表面轮廓度偏差分析和壁厚分析等检测系统软件中的关键技术,使用实际的叶片CT扫描数据进行了验证.     

一种区域公差约束的叶片模型配准方法

针对航空发动机涡轮叶片几何形状检测中的模型配准定位问题,依据叶片型面区域公差设计的特点,提出一种区域公差约束的叶片模型配准方法,尽可能把模型配准控制点集约束在公差带以内。在迭代最近点配准方法的目标函数的基础上,附加区域公差约束条件,建立区域公差约束的叶片模型配准目标函数,并给出了基于遗传算法叶片模型约束配准求解方法。使用叶片的仿真与实测数据进行了模型配准实验,结果表明,所提出的方法能显著减少配准控制点集的超差点数目。     

三维变焦测量序列图像配准研究

在三维变焦测量技术中,驱动单元控制被测物移动同时相机采集序列图像,此过程中由于环境不稳定如载物台振动、光照条件的变化等可能导致图像失配,因此有必要对序列图像配准使得其在几何位置意义上对齐。提出利用结构相似性测量(SSIM)定量评价配准质量,同时通过将配准后图像与参考图像对比差异化显示,更加全面地衡量配准效果。首先根据单反相机拍摄的标定板图像对比分析了基于灰度信息和不同特征的配准方法,考虑到序列图像配准对速度和准确度的要求,确定了基于SURF特征的配准方法。然后对三维变焦序列图像进行配准,效果良好且根据配准得到的变换矩阵可以看出图像间仅存在几个像素内的平移。     

精铸涡轮叶片的误差分析技术

针对精铸涡轮叶片的检测和模具型腔设计中存在的精度控制问题,运用配准技术来进行误差分析,分别以形心、收缩中心、中心轴线点为特征点,运用CAD模型引导的最临近点迭代ICP(iterative closet point)配准方法,将叶片实际测量数据和CAD模型进行配准。对比配准结果,得到了精铸过程中误差分布,并通过分析叶片的变形情况,得出以形心为特征点时,型面重合度最大,配准效果最好,为叶片精铸模具的型腔设计提供了量化的参考依据。     

序列图像约束的点云初始配准方法

针对现有算法难以精确配准重叠区域较小的点云,提出一种结合二维序列图像的点云初始配准方法。基于移动式三维测量方法获取实物表面灰度图像及三维数据,根据透视投影原理对相机在点云局部坐标系中的位置进行定位,获取点云到对应相机坐标系的变换矩阵,并以灰度图像的特征点及其匹配点作为匹配对,通过重建序列图像对相机外参数予以全局优化,根据初始配准公式实现点云初始配准。试验结果表明,该算法可正确配准重叠区域较小的点云,且能显著提高配准过程的稳健性及配准效率。     

涡轮叶片位移场模型变形特征解耦方法研究

为了有效提高航空发动机精铸涡轮叶片的成形精度,提出一种涡轮叶片位移场模型的变形特征解耦方法。首先通过对批量叶片进行检测,获取型面数据后与叶片设计模型配准及偏差计算得到叶片精铸位移场;在对精铸位移场进行分析和研究的基础上,确定叶片铸件变形的分布规律。研究精铸涡轮叶片的变形特征,通过位移场的解耦分析把精铸位移场中的任意位移矢量分解成收缩误差变形矢量、弯曲变形矢量、扭转变形矢量。分离出的精铸变形特征可应用于精铸涡轮叶片模具型腔优化过程中,对提高模具型腔的设计质量及涡轮叶片的成形精度具有重要意义。     

涡轮叶片形状检测中的模型配准控制点集选取

叶片模型的配准定位是叶片形状检测与分析的一个核心环节。为解决基于迭代最近点方法的叶片密集测量数据与其CAD模型的可靠配准问题,提出一种基于CAD模型的配准控制点集选取方法。结合模型配准可靠性分析技术,预先在叶片CAD模型规划出配准基准点集;通过测量数据与配准基准点集的配准运算,把配准基准点集映射到叶片测量数据上,获取测量模型上对应的配准控制点集;滤除其中可能降低模型配准精度的坏点,得到最终的叶片模型配准控制点集。进行基于仿真与实测数据的叶片模型配准试验及对比分析,总结出一些可用于指导叶片模型配准控制点集选取的策略。结果表明,所提出的叶片模型配准控制点集选取方法是可行的。     

大功率风力机叶片模态及气动特性分析

对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程,通过翼型截面坐标变换和旋转拉伸在UG中建立了国产某型6MW风力机叶片三维模型,运用Ansys/Blocklanczos法计算了叶片前6阶固有模态。在Ansys/Workbench中搭建叶片流场仿真模型,讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显,随着风速和攻角增大,相同截面位置上的叶片振动变形逐渐增大。     

三维涡轮叶片气动优化方法的研究

提出一种进行三维涡轮叶片气动优化的多目标多约束方法.根据五次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模,采用N-S(Navier-Stokes)方程和湍流模型进行三维流场分析计算,K-S(Kreisselmeier-Steinhauser)函数法作为优化方法,利用近似技术加速循环优化速度,以气动效率和总压比为目标函数,对涡轮叶片进行多目标气动优化、形状优化.算例表明,使用该方法能使涡轮叶片的性能得到明显改善,证明提出的优化方法可行有效.     

Reverse engineering of turbine blades based on design intent

The purpose of this paper is to describe a new approach to process the data points measured from turbine blade airfoils in order to make a valid shape via reverse engineering method. Currently, preliminary B-rep models can be created by fitting surfaces to point clouds using a 3D laser scanner. In case of a turbine blade, due to high shape complexity, the resulting model is often unsuitable in practice. A small change in blade geometry can lead to a large change in turbine performance. Therefore, control of the blade shape is critical to the design process. Authors believe that the only way to capture the valid shape of a blade airfoil out of the many manufacturing deviations is to incorporate design key-points during reverse engineering. Implementation of the new method using segmentation and constrained fitting algorithm (SCFA) on a heavy-duty industrial gas turbine blade has been reported and discussed.     

涡轮叶片三维气动优化设计

根据五次多项式叶片造型方法进行叶型参数化，得到涡轮叶片的参数化模型，采用N—S方程进行三维流场计算，使用模拟退火算法和序列二次规划算法相结合，以涡轮气动效率为目标进行了优化，优化结果显示涡轮气动效率得到提高。算例表明文中涡轮叶片参数化方法是可靠的，文中提出的叶片三维气动性能优化方法是可行的。     

风力机叶片立体图的设计

按照叶片设计的实际过程,在涡流理论设计叶片参数的基础上,提出了一种能在计算机上立体显示叶片截面及结构的设计方法。即基于点的坐标的几何变换理论求解叶片各截面在空间实际位置的三维坐标,基于三维几何建模理论对叶片实体建模。本研究为风力机叶片及其它相似复杂形体的计算机绘图提供了依据,为叶片进一步分析奠定了基础。     

基于ANSYS的某型航空发动机涡轮叶片的振动特性分析

以某型航空发动机的高压涡轮叶片为研究对象,采用Solidworks软件建立其三维实体模型,基于有限元分析软件ANSYS对其进行振动特性分析,得出叶片的振动频率特性和前六阶振动模态特性。仿真结果对涡轮叶片的设计和改进具有一定的指导意义。     

Numerical study on flow characteristics at blade passage and tip clearance in a linear cascade of high performance turbine blade

A numerical analysis has been conducted in order to simulate the characteristics of complex flow through linear cascades of high performance turbine blade with/without tip clearance by using a pressure-correction based, generalized 3D incompressible Navier-Stokes CFD code. The development and generation of horseshoe vortex, passage vortex, leakage vortex, tip vortex within tip clearance, etc. are clearly identified through the present simulation which uses the RNG k-ε turbulent model with wall function method and a second-order linear upwind scheme for convective terms. The present simulation results are consistent with the generally known tendency that occurs in the blade passage and tip clearance. A 3D model for secondary and leakage flows through turbine cascades with/without tip clearance is also suggested from the present simulation results, including the effects of tip clearance height.