基于Geomagic Studio的航空发动机叶片曲面建模

罗城仔,魏永超,邓 岚,邓春艳

(1.中国民用航空飞行学院 民航飞行技术与飞行安全科研基地，四川 广汉 618307；2.中国民用航空飞行学院 科研处，四川 广汉 618307)

0 引言

航空发动机涡轮叶片在发动机工作时直接接触燃气混合气，整个工作过程都处在高温高压高转速的环境中，极易发生积垢、侵蚀、蠕变等现象，可使叶片型面发生改变，直接影响航空发动机的整体性能。传统的工业零部件建模方式多是通过三维建模软件进行草图绘制，然后进行拔模等操作得到立体模型[1]，这种方法虽然更易于操作，但一定程度上对模型进行了简化，仅适用于外形较为规则的物体[2]。对于涡轮叶片这类具有复杂型面的模型，需要一种更能表现叶片真实形态的建模方法。

不同于传统的建模流程，逆向建模技术通过对既得实物的光学扫描获得极其贴近物体真实形态的点云文件，对点云文件进行处理即可得到所需的精确模型[3]。逆向工程的光学扫描是基于所需建模的实物进行且精度达到亚毫米级，更符合所需建模物体的原生物理结构，对零部件的设计和再开发具有重要意义。Geomagic Studio具有强大的逆向建模能力，被广泛应用于逆向建模领域[4]。本文应用Geomagic Studio软件对某型航空发动机高压涡轮叶片进行逆向建模，通过对点云模型的处理得到叶片的精确模型，最终结果表明所得叶片模型具有良好的平滑性和完整性，相较于采用传统建模方法得到的模型具有更高精度。

1 逆向建模

通过实验室自主研发的航空发动机叶片自动扫描融合系统采集点云数据，扫描精度为0.02 mm。测量用叶片为某型航空发动机高压涡轮叶片，如图1所示，该叶片外包长方体尺寸约为38 mm×45 mm×15 mm。

1.1 点云的处理

测量得到的数据称为点云，即由大量孤点形成的模型。原始点云数据量一般较大，如直接利用Geomagic Studio软件进行建模会增加建模过程的难度，因此通常会进行统一采样显示，此处将采样比率设为10%。图2为经过一次扫描得到的局部叶片点云模型，经过多次扫描拼接便可得到一个完整的叶片点云模型。但此时得到的还是一个相对较为粗糙的模型，精度还达不到封装成多边形片体的要求。提高点云模型质量的方法一般有三种，分别为去除模型体外孤点、去除非连接项、减少模型噪声[5]。前两种方法是删去模型中与主体距离较大的点以使模型更加平整，而第三种方法是将系统中识别出的噪点移动到模型主体上，该操作不会减少点云的采点数量。

图1 涡轮叶片实物图 图2 局部点云模型

通过不同角度的两个扫描周期得到两个质量相对较高的完整点云模型，为了提高模型精度，将两次扫描结果进行手动注册。本文采用多点对齐的方式，在两个点云模型对应的特征位置进行标点，如图3所示，通过对上部两幅图的对齐操作可以得到下部更为完整的叶片模型，其中平均移动距离为0.163 753 mm，标准偏差为0.053 206 mm。

图3 点云模型对齐

1.2 模型的建立

对点云模型进行封装处理，可以将其封装为多边形片体，将点对象转化为多边形对象。为了得到更好的多边形模型，一般要对模型进行修补、平滑、填充等操作，即修复多边形的缺陷，减少多边形数目，消除高曲率、钉状物以平滑表面，填充模型表面缺失等问题。此时得到的多边形叶片模型已不是点云数据，而是将点云中相邻的点连成若干个三角形，再由这些三角形相连接形成模型表面[6]。不同于点云数据，此时的叶片模型已经是一个整体。

多边形模型的表面由共边三角形连接而成，其平滑度达不到要求，需要将多边形模型转化成精确曲面模型。精确曲面模型是由一组四边形曲面片所包成的片体模型。将多边形模型转化成精确曲面模型大致可以分为4个阶段，即轮廓线阶段、曲面片阶段、栅格阶段和曲面阶段。进行轮廓线编辑是为了将模型中曲率变化较大的区域区分开，将曲率变化较小的区域划分在一起，形成一个曲面片，曲面片最终应为四边形。为了尽可能地降低模型中曲面片的数量，需要对各曲面片进行栅格处理，一个曲面片中的栅格越密集就越能表现该曲面片的细节。最终经过拟合曲面操作可以得到如图4所示的航空发动机涡轮叶片模型，该模型能够以“.igs”、“.3ds”和“.x_t”等格式文件输出到CAD等系统中进一步使用。

1.3 分析评估

为了评估所得模型的准确性，对最终所得模型进行偏差分析，主要对以下4个参数进行统计比较。

(1) 标准偏差S，表示偏差的离散程度，即：

(2) RMS，表示均方根，能够反映数据的可靠性:

其中：di为一组分析值与参考值的偏差。

(3) 平均距离，从分析体到参考体上任意一点的平均偏差距离。

(4) 最大距离，从分析体到参考体上任意一点的最大偏差距离，分为正负两个方向。

由于在点云处理过程中最终点云模型是由两组点云经对齐操作得到，因此在选定偏差分析参考体时将两组参考体分别命名为参考体1和参考体2，偏差分析云图如图5所示。从图5中可以看出偏差基本集中于色谱中部，说明建模效果较为良好，偏差分析具体参数见表1。

图4 涡轮叶片模型 图5 偏差分析云图

表1 偏差分析对比表 mm

2 总结

针对传统零部件建模方式不适用于曲面结构较为复杂的涡轮叶片的问题，本文采用逆向建模技术对航空发动机涡轮叶片进行精确建模，通过光学测量系统获得涡轮叶片的点云文件，利用Geomagic Studio软件建立点云模型、多边形模型，最终得到叶片的精确模型。偏差分析结果表明所得叶片模型具有较高精度。