基于逆向工程的渦輪增壓器渦輪級三維模型設(shè)計

1、基于逆向工程的渦輪增壓器渦輪級三維模型設(shè)計作者：張萬平在汽車發(fā)動機(jī)行業(yè)中，渦輪增壓器由于具有改善汽車發(fā)動機(jī)尾氣排放污染。提高發(fā)動機(jī)的功率和質(zhì)量比，提高發(fā)動機(jī)的扭矩特性，降低燃油消耗和發(fā)動機(jī)噪聲等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車和工程機(jī)械的主要部件。而在渦輪增壓器中。無葉噴嘴渦輪的渦輪增壓器由于具有在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率變化小結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，成本低等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。以往針對壓氣機(jī)的研究居多對于渦輪級則相對落后，但是這種情況正在發(fā)生變化，渦輪級相關(guān)的研究正越來越受到業(yè)界的重視。對于渦輪級的研究。當(dāng)前廣泛采用CFD技術(shù)進(jìn)行研究這就要求渦輪級三維CAD模型具有足夠的準(zhǔn)確度。否則會影響CFD模擬計算的結(jié)

2、果和精度。進(jìn)而影響新產(chǎn)品的設(shè)計周期和現(xiàn)有產(chǎn)品完善程度。對于制造商而言，希望在最短的時間內(nèi)改善原有產(chǎn)品，使之在同類產(chǎn)品中更具競爭力。 逆向工程是將已有產(chǎn)品模型或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上可對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造。隨著計算機(jī)技術(shù)特別是計算機(jī)輔助幾何設(shè)計的理論和技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用逆向工程得到了不斷發(fā)展，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品的改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計，特別是對于具有復(fù)雜曲面外形的產(chǎn)品。它極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品精度，是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。尤其在形狀復(fù)雜的物體或由自由曲面組成的物體的開發(fā)研制中，逆向工程是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)快速制造的途徑

3、之一。 筆者正是運(yùn)用逆向工程技術(shù)對車用渦輪增壓器渦輪級進(jìn)行重構(gòu)，以獲取足夠精度的三維CAD模型為后續(xù)CFD的準(zhǔn)確計算作鋪墊。 1 渦輪級事物分析 一個完整的逆向工程流程，主要包括實(shí)物模型分析、數(shù)據(jù)采集與處理及曲面重構(gòu)3格主要部分。圖1為渦輪級的實(shí)物模型。從圖中可以看粗渦輪級包括渦輪和渦殼兩部分。所以要完成渦輪級的三維CAD模型，必須對兩部分分別進(jìn)行逆向操作，最后進(jìn)行裝配。具體流程見圖2。 圖1 渦輪級的實(shí)物模型圖2 渦輪級反求的流程圖2 渦輪和渦殼點(diǎn)云圖的獲取 使用3DSS-MINI-II三維掃描儀分別對渦輪和渦殼進(jìn)行掃描。掃描之前，需要在實(shí)體表面的特征位置布置特征點(diǎn)作為公共參考點(diǎn)，這樣在掃描

4、的過程中，可以通過改變實(shí)體放置角度。使光柵能夠?qū)λ星孢M(jìn)行掃描，然后通過這些點(diǎn)把每一塊的掃描結(jié)果合并為一體。由于掃描的結(jié)果是獲得曲面上的大量的"點(diǎn)云"，所以需要對點(diǎn)云進(jìn)行處理。去除壞點(diǎn)最后得到輪廓圖。對于渦輪，由于其葉片是對稱的。所以只需對其中兩個相鄰的葉片進(jìn)行掃描結(jié)果見圖3，渦殼掃描后的點(diǎn)云見圖4。點(diǎn)云圖結(jié)果以STL文件格式輸出。 圖3 渦輪的點(diǎn)云圖 圖4 渦殼的點(diǎn)云圖3 渦輪和渦殼的曲線構(gòu)建 將ICES文件調(diào)入UG Imageware后。以點(diǎn)為依據(jù)，系統(tǒng)會自動插值出一條掃描曲線，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建便于修改的樣式曲線。圖5和圖6分別為提取的幾條主要特征線的正式樣曲線。曲線分

5、析主要通過"曲率梳"來形象地顯示其光順性，曲線的修改主要通過插補(bǔ)點(diǎn)對曲線的控制多邊形進(jìn)行動態(tài)修改，以保證曲線的光順性。 圖5 葉片的特征曲線 圖6 渦殼的特征曲線4渦輪級的曲面重構(gòu) 曲面重構(gòu)在逆向工程以及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)相當(dāng)活躍。參數(shù)曲面在跨界連續(xù)性、曲面約束及局部控制方面的良好表現(xiàn)被普遍應(yīng)用于曲面擬合中。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間拓?fù)湫问?，參?shù)曲面重構(gòu)一般可分為矩形域曲面重構(gòu)和三角域曲面重構(gòu)。通常，矩形域曲面重構(gòu)采用NURBS、有理B樣條、Bezier參數(shù)曲線曲面來表示，并要求處理的數(shù)據(jù)為四邊域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而基于散亂數(shù)據(jù)的自由曲面重構(gòu)則多采用三角域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于渦輪葉片，抽取了特征曲線后，

6、采用NURBS方法進(jìn)行重構(gòu)，結(jié)果見圖7。 底座則利用獲得的模型關(guān)鍵特征曲線構(gòu)造底座的三維模型。見圖8。通過布爾操作將葉片與底座合并，并使用圓周陣列方法。將葉片數(shù)補(bǔ)足。得到圖9所示的渦輪CAD模型。 對于渦殼的曲面重構(gòu)采用與渦輪重構(gòu)相同的方法。但是由于渦殼內(nèi)部流道是變截面、螺旋式的進(jìn)氣道，形狀復(fù)雜，無法一次構(gòu)建完成，所以采取將流道分成若干部分，分別構(gòu)建，最后利用布爾操作將各部分合并，最終生成圖10所示的渦殼CAD圖。 圖10 渦殼的CAD模型5裝配件的構(gòu)建 在UG中。利用其零部件的裝配功能將已創(chuàng)建的渦輪和渦殼模型，按照從實(shí)際模型上測量的裝配間隙對渦輪及渦殼進(jìn)行裝配，最終得到的裝配模型見圖11。為了便于對渦輪級的實(shí)際流體區(qū)域進(jìn)行CFD分析。對備份模型進(jìn)行幾何清理，得到圖12的渦輪級計算域。 圖11 組裝后的三維CAD模型 圖12 渦輪級流體區(qū)域CAD圖6總結(jié) 具體闡述了利用逆向工程技術(shù)對車用渦輪增壓器渦輪級從實(shí)體到三維CAD模型的實(shí)現(xiàn)過程，其實(shí)施步驟可以概括為： a選用足夠精度的三維立體掃描儀掃描模型點(diǎn)云圖。 b根據(jù)點(diǎn)云圖抽取渦輪葉片及渦殼的關(guān)鍵特征曲線。 c。利用三維建模軟件UG的曲面造