基于逆向工程的渦輪增壓器渦輪級三維模型設計

1、基于逆向工程的渦輪增壓器渦輪級三維模型設計作者：張萬平在汽車發(fā)動機行業(yè)中，渦輪增壓器由于具有改善汽車發(fā)動機尾氣排放污染。提高發(fā)動機的功率和質(zhì)量比，提高發(fā)動機的扭矩特性，降低燃油消耗和發(fā)動機噪聲等優(yōu)點已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車和工程機械的主要部件。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)構簡單，便于維護，成本低等優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。以往針對壓氣機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，渦輪級相關的研究正越來越受到業(yè)界的重視。對于渦輪級的研究。當前廣泛采用CFD技術進行研究這就要求渦輪級三維CAD模型具有足夠的準確度。否則會影響CFD模擬計算的結(jié)

2、果和精度。進而影響新產(chǎn)品的設計周期和現(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)化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上可對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造。隨著計算機技術特別是計算機輔助幾何設計的理論和技術的發(fā)展和應用逆向工程得到了不斷發(fā)展，現(xiàn)已廣泛地應用于產(chǎn)品的改進、創(chuàng)新設計，特別是對于具有復雜曲面外形的產(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、吸收先進技術，創(chuàng)新開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。尤其在形狀復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，實現(xiàn)快速制造的途徑

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

4、的過程中，可以通過改變實體放置角度。使光柵能夠?qū)λ星孢M行掃描，然后通過這些點把每一塊的掃描結(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"點云"，所以需要對點云進行處理。去除壞點最后得到輪廓圖。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行掃描結(jié)果見圖3，渦殼掃描后的點云見圖4。點云圖結(jié)果以STL文件格式輸出。 圖3 渦輪的點云圖 圖4 渦殼的點云圖3 渦輪和渦殼的曲線構建 將ICES文件調(diào)入UG Imageware后。以點為依據(jù)，系統(tǒng)會自動插值出一條掃描曲線，在此基礎上創(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點對曲線的控制多邊形進行動態(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 曲面重構在逆向工程以及相關領域內(nèi)相當活躍。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)被普遍應用于曲面擬合中。根據(jù)數(shù)據(jù)點的空間拓撲形式，參數(shù)曲面重構一般可分為矩形域曲面重構和三角域曲面重構。通常，矩形域曲面重構采用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)為四邊域拓撲結(jié)構而基于散亂數(shù)據(jù)的自由曲面重構則多采用三角域的拓撲結(jié)構。對于渦輪葉片，抽取了特征曲線后，

6、采用NURBS方法進行重構，結(jié)果見圖7。 底座則利用獲得的模型關鍵特征曲線構造底座的三維模型。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)補足。得到圖9所示的渦輪CAD模型。 對于渦殼的曲面重構采用與渦輪重構相同的方法。但是由于渦殼內(nèi)部流道是變截面、螺旋式的進氣道，形狀復雜，無法一次構建完成，所以采取將流道分成若干部分，分別構建，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，按照從實際模型上測量的裝配間隙對渦輪及渦殼進行裝配，最終得到的裝配模型見圖11。為了便于對渦輪級的實際流體區(qū)域進行CFD分析。對備份模型進行幾何清理，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對車用渦輪增壓器渦輪級從實體到三維CAD模型的實現(xiàn)過程，其實施步驟可以概括為： a選用足夠精度的三維立體掃描儀掃描模型點云圖。 b根據(jù)點云圖抽取渦輪葉片及渦殼的關鍵特征曲線。 c。利用三維建模軟件UG的曲面造