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基于叶型重构的三维模型修复技术研究

田浩男+沈伟

摘 要：精确的几何模型是进行有限元分析、计算流体力学分析的基础，通过各种CAD、CAE软件建模结果的共享可以有效地减少几何模型前处理的工作量。但是各种CAD、CAE软件建立的三维几何模型文件在互相转换过程中容易出现变形和失真问题。该文针对某螺旋桨桨叶几何模型文件在转化过程中出现的变形和失真问题，研究了一种基于叶型重构的三维模型修复技术，实现了螺旋桨桨叶几何模型的修复和利用。
关键词：螺旋桨 叶型重构 变形 失真
：TP391.9 ：A ：1672-3791（2017）07（c）-0072-02
随着现代计算机软件、硬件技术的迅速发展，有限元分析、计算流体力学成为当今工程技术和科学研究的重要方法。在进行数值仿真时，常通过各种CAD、CAE软件建模结果的共享减少前处理的工作量。但是各种CAD、CAE软件建立的三维几何模型文件在互相转换过程中容易出现重构失败、精度退化、细节处理变形等问题，造成转化后的模型几何面变形、小尺寸线和面缺失，形成所谓“烂”模型。
国内学者们通常是手动修复模型，主要方法是将模型细节简化。如在研究直升机振动方面，把旋翼简化成直线[1-2]，在研究船体阻力时，将船体大曲率面进行简化[3-5]。但简化后的模型影响了自身精度，数值仿真得到的结果往往存在误差。
该文针对某螺旋桨桨叶几何模型文件在转化过程中的问题，利用叶型剖分、修型以及曲面重构等方法，研究了一种基于叶型重构的三维模型修复技术，并很好地修复了螺旋桨桨叶的几何模型，保证了桨叶模型的几何精度。
1 几何模型转化以及存在的问题
为分析某型螺旋桨的工作流场特性，需要建立其几何模型。该螺旋桨有其自身的几何模型文件，文件为常规*.X_T格式，可以为各种软件提供模型文件共享，如图1所示。在GAMBIT、ICEM等前处理软件中进行转化重构过程中，均出现了只能生成三维几何模型，但无法划分网格的情况。
为此，该文对重构后的桨叶几何模型进行检查。在前处理建模软件中，采用拓扑运算的方法，对桨叶进行了水平剖分。对剖分面进行检查发现：由于曲率变化剧烈，桨叶2/3叶高以上的叶型线前缘在几何模型的转化和重构中发生了扭转和变形；叶型后缘由于存在尺寸跨度极大的各种工艺面，在几何模型的转化和重构中出现了失真。
2 基于叶型重构的修复技术
2.1 桨叶前缘修复
在桨叶前缘的修复过程中，保留桨叶2/3叶高以下的水平叶型线和桨叶型面，对出现重构失真问题的桨叶2/3叶高以上的部分，删除桨叶型面，只保留基本的水平剖分叶型线。
对转化过程中出现变形的水平剖分叶型线前缘进行修复时，以水平剖分叶型线上的点为基础，拟合新的样条曲线，如图2所示，完成对桨叶前缘型线的修复。
2.2 桨叶后缘修复
桨叶后缘修复的方法与前缘修复的方法类似，删除所有出现重构失真问题的桨叶后缘面，只保留后缘型线并对其修复。
对所有叶高水平叶型线后缘水平型线进行样条修复时，同样以后缘线上的点为基础，并对过小的线条进行了合并；以原桨叶模型后缘上的有效关键点为基础，重构后缘的纵向样条曲线，如图3所示，完成对桨叶后缘型线的修复。
2.3 桨叶面的重构
以修复后的水平剖分叶型线、后缘型线和获得桨叶前缘的纵向前缘线为基础，对桨叶表面进行重构。但桨叶表面的扭转程度随着叶高的增加而加剧，难以利用修复后的水平剖分叶型线和前后缘纵向线重构桨叶表面。
为此，以修复后的水平剖分叶型线和原桨叶表面为基础，进行拟合，形成多条叶型的纵向样条曲线。分别以修复后的水平剖分叶型线、前后缘纵向线和叶型纵向样条曲线为基础，重构桨叶表面以及前后缘面，如图4所示。以重构后螺旋桨所有桨叶表面为基础，可以重构精度较好的螺旋桨桨叶三维几何模型。
2.4 桨叶面的网格划分
如图5所示，重构后的螺旋桨桨叶表面可以进行网格划分，螺旋桨的前后缘部分在几何模型的转化和重构中出现的失真问题得到解决；桨叶表面的网格在重构面和原表面之间过渡连续较好，网格质量较高，满足后续的数值计算需要。
3 结论
（1）对于螺旋桨桨叶一类自身扭转程度较大的大曲率几何体三维模型，在GAMBIT、ICEM等前处理软件中进行转化重构过程中，容易出现几何模型变形和失真问题；尤其是大曲率几何体的前后缘部位，出现变形和失真程度较大，需要对其修复。
（2）对螺旋桨桨叶的剖分，删除出现变形和失真问题的桨叶型面，修复前后缘型线，利用叶型线的修复，结合水平纵向叶型线重构桨叶叶型，较好地修复螺旋桨桨叶几何模型，保证了桨叶模型的质量，满足后续计算流体力學分析和有限元分析的精度需要。
参考文献
[1] 周长悦，秦浩，董明明.直升机振动响应与重心的关系研究[J].航空科学技术，2017，28（1）：36-41.
[2] 萧秋庭.直升机旋翼阵风响应研究[J].飞行力学，1994，12（4）：8-13.
[3] 黄丽.基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟[J].广东造船，2011，30（3）：41-42，62.
[4] 石博文，刘正江，张本辉.基于CFD的船舶顶浪遭遇畸形波数值模拟[J].中国航海，2016，39（3）：59-62，113.
[5] 王晓燕，李婷婷.基于CFD的双体船航行阻力研究[J].舰船科学技术，2016，38（5A）：4-6.

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