葉片造型
關注創建者：SoftInWay中國 創建時間：2021-04-20
葉片造型的實例教程
Bezier曲線設計渦輪葉片造型與CFD驗證解析
賀 恒
(廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528000)
摘 要：通過選取某尺寸的渦輪和流量值作為案例,解析了運用Bezier曲線設計渦輪葉片造型的過程，進行了計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)驗證，得到渦輪機械性能預測曲線，驗證了渦輪葉片造型設計。
關鍵詞：Bezier曲線;渦輪葉片造型設計;CFD水力性能驗證;機械性能預測曲線
0 引 言
由于工業市場的日益繁榮，渦輪因其獨特的優越性，在各行各業的應用越來越普遍。然而，傳統的渦輪葉片設計效率低且不能完全滿足實際渦輪的性能需求。在葉片設計過程中，進、出口角度通常是給定的定值，所以要求選取的曲線需要確保在起始點和終點的一階導數，Bezier曲線正好能夠滿足這個要求。本文選取Bezier曲線設計渦輪葉片造型，使用FLUENT進行CFD驗證分析[1-6]，提出了渦輪性能曲線相似轉換。一方面，四階Bezier曲線計算得到的葉片型線坐標精確度高，CFD分析可以對設計的型線進行校驗分析，直到型線設計滿足要求為止。另一方面，CFD數值模擬技術具有成本低、設計周期短的優勢，在很大程度上彌補了傳統流體動力學實驗的劣勢。同時，相似轉換計算的提出，只需要計算一種流量下的渦輪葉片性能參數，就能直接計算出其他不同流量下的性能參數。這種方法的綜合運用可以大大減少CFD分析的計算量，提高渦輪葉片設計的效率。
展開 前言
葉片曲面造型是工程技術行業的一個難點，傳統的造型方法主要是將一系列特定的葉片截面曲線光順擬合成葉片的曲面，但是葉片處在流體環境中，它的性能從來就不能直觀的看出來，所以葉片在設計過程中，多數都是會需要一些修整，如果有參數化控制的葉片，就能完美解決葉片曲面造型的難點。
總有一些人引領著時代發展，而順應時代發展的CAESES軟件，在參數化的曲面建模方面就具有很大的優勢，尤其是MetaSurface的曲面造型方法，能夠便捷地將參數化的曲線特征，光順擬合成一個參數控制的復雜曲面。就葉片曲面造型來說，參數化的重點其實是葉片的截面曲線，下面就列舉一些CAESES中幾種常用的葉片截面曲線造型方法。
1、直接造型方法
（1）選擇CAESES中自帶的葉型曲線
CAESES中最常使用的葉型曲線是NACA-4DS Curve，這個曲線有四個參數，分別是弦長、厚度、拱度、拱起位置，定義完參數后，將曲線變換為空間中的葉片截面輪廓曲線，繼而就可以通過MetaSurface的方法創建出葉片曲面。此葉型截面曲線主要用在軸流葉輪的葉片造型上，在飛機機翼造型方面也有較多應用。
（2）通過控制點以及不同類型的曲線創建葉型曲線
創建這種葉型主要是為了滿足葉片多變的需要，根據需求，可以對控制點定義不同的參數，也可以使用不同形式的曲線進行葉片型線的創建。上圖葉型曲線建模步驟如下表所示：
該葉型曲線的參數主要包括前緣和尾緣的圓弧系數、包角度數以及所在位置，壓力面和吸力面的控制點位置，在所有參數的共同作用下，構建出形狀多變的葉型曲線。下圖是調整控制點參數后生成的新的葉型曲線。
展開 導讀：為了提高燃氣輪機的工作溫度和發動機效率，航空航天和電力工業領域不斷設計開發內部冷卻通道更加復雜的燃氣輪機的渦輪葉片。
為了在鑄造金屬渦輪葉片時可以形成高復雜的內部冷卻通道結構，使用陶瓷鑄造型芯是非常必要的。鑄造葉片冷卻后，葉片從模具中取出，同時內部的陶瓷型芯需要溶解掉。
目前設計的陶瓷鑄造型芯越來越復雜，而通過傳統的注射成型方式無法實現 如此高復雜結構的陶瓷型芯。Lithoz 公司的 LCM 技術可以實現傳統工藝無法實現的高復雜結構陶瓷產品的生產。因此，LCM 技術給航空航天和電力工業中的高復雜結構的陶瓷葉片型芯提供完美的解決方案，滿足他們日益增長的設計需求。
而且，LCM 技術可以快速、低成本的實現小批量系列的原型產品的生產。由于該技術無需模具，因此大大縮短了研發-市場階段的周期。
與傳統的注射成型制造葉片型芯技術相比，3D 打印技術是一種無需模具的生產制造技術。因此 3D 打印技術可以繞過傳統工藝必須的、昂貴而又復雜的模具制造部分。
3D 打印葉片型芯的材料
LithaCore 450 是一款由奧地利Lithoz 公司自主研發的一種用于3D 打印生產陶瓷葉片型芯的硅基材料。典型的應用有：用來生產單晶鎳基合金的渦輪葉片的鑄造型芯；定向凝固鑄造型芯；等軸鑄造型芯。LithaCore 450 是一種可以 3D 打印制備高精度、高細節陶瓷葉片型芯的材料。燒結后的葉片型芯產品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優異的表面質量和優良的洗濾性等優點。另外，Lithoz 可以為客戶開發定制化的材料，滿足客戶廣泛的合金鑄造需求。
展開 介紹了pro/e二次開發的方法,對離心泵葉片三維參數化造型進行研究并建立特征模型。利用定義了參數和拓撲關系的離心泵葉片的pro/e模型文件,通過二次開發工具pro/TOOLKIT對模型文件中定義參數進行訪問,最終完成離心泵葉片的參數化三維造型
基于特征的離心泵葉片參數化三維造型.pdf
1.2 競品分析及設計效果
圖1. 3 CDA葉型葉片設計效果
圖1. 4 常規葉型設計效果
二、系統組成及技術方案
2.1 軟件模塊
AIBlade平臺軟件主要分為三大模塊：葉片參數化造型設計模塊、葉片參數化擬合模塊、葉片幾何及網格數據轉換。
2.2 葉片參數化造型設計模塊
2.2.1 技術方案
基于開源的OpenCascade幾何內核，使用C++為開發語言，使用Qt作為界面開發組件，實現葉片快速參數化造型。在葉片造型模塊中，以sqlite為數據庫基礎，搭建葉型數據庫，用戶可以自定義相關葉型存如數據庫，可以通過相關幾何參數進行葉型的快速查詢。通過不同的積疊方式，配合彎角、掠角的定義最終實現葉片的快速造型。造型結果可以輸出通用的IGES、STEP等幾何數據格式，同時系統可以進行自動化的截面線提取，輸出GeomTurbo以及Curve文件格式，便于后續的優化、分析工作。
目前提供兩種方式的造型方法：導入法和設計法。
導入法可以將葉片設計參數填入指定格式的xlsx文件或Txt文件中，軟件導入該文件后根據其中的參數生成三維模型。具體流程如下圖所示：
圖2. 1葉片造型導入流程示意
設計法又用戶從中弧線開始，逐步的手動設計葉片的組成元素，最終組合成完整的設計模型。
展開 
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在流體力學領域，一說弄個翼型算個流場，基本上初學者就能很快掌握，似乎二維固定壁面的東西都是入門的簡單東西。
在AI和各種軟件工具高度發展的今天，這些東西好像變得沒那么重要了。最近聽到一些葉輪機械方向的研一學生的聊天，所言都是什么注意力機制，什么卷積。
前些年這些詞還是多目標優化、大數據、雙碳等等。
科研圈的詞匯貶值速度也是很快的。大家摻大模型進去了，你還沒摻，
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下一步對風扇葉片造型進行 DOE 參數優化設計，可進一步降低噪聲源。
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* 強化幾何建模能力，新增蝸殼加厚、平衡孔和非對稱葉片造型等功能，極大地提升設計效率和模型多樣性，滿足復雜工程需求。
三 傳承經典，協同合作
* 推出全新的在線數據庫模塊，為企業技術積累和團隊協同提供強有力的支持。
* 增加對 Linux 操作系統的支持，全中文界面及幫助文檔優化，全面兼容國產操作系統，為更多用戶提供便捷的使用體驗。
2）幾何
某型
活動導葉幾何如圖1-1所示，葉片造型類似機翼，一側弧度大，一側弧度小。弧度大側為正面C，弧度小側為反面G。
Bezier曲線設計渦輪葉片造型與CFD驗證解析
賀 恒
(廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528000)
摘 要：通過選取某尺寸的渦輪和流量值作為案例,解析了運用Bezier曲線設計渦輪葉片造型的過程，進行了計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)驗證，得到渦輪機械性能預測曲線，驗證了渦輪葉片造型設計。
吳惠松等研究開發了空心葉片的結構設計及優化設計平臺，實現了多層結構寬弦空心風 扇葉片快速造型及有限元分析。于洋等研究表 明空心葉片型腔加強筋數量增加或擴散連接區與非連接區長度比增大對加強筋最大應力值影響較大。楊劍秋等采用正交試驗設計獲得了空心葉片結構優化設計分析的帕累托最優解。
以渦輪葉片的仿真設計來說，需要葉片氣動做功效率，葉片的最高溫度，強度，振動和壽命等同時滿足要求，傳統的計算步驟是串行式的，即先對葉片造型做氣動分析，判斷是否滿足要求，然后做熱分析，再做強度、振動等分析，這將大大延長設計周期，也很難找到最佳設計。因此先進發動機設計要求進行氣熱固多學科的耦合計算，從而可大大減少設計周期，尋找到設計空間最佳解。
PREDIG是用來進行氣動性能預測的；COMIG是用于葉片詳細設計的程序，又可以分為葉片造型SPECIG、流場分析BANIG兩個子模塊。
NREC系列軟件采用S1/S2流面迭帶的勢流分析方法，葉片設計時給定葉片表面的載荷分布類型及氣流角分布等參數，然后沿軟件流程進行即可以初步設計出葉片子午流道及S1平均流面。
1.3 葉輪模態數值仿真
1.3.1 模型建立
運用葉片造型軟件NREC進行建模并進行網格劃分，然后導入到ANSYS進行數值計算，采用無約束載荷，模型及其網格劃分見圖7。葉輪材料參數設置為：彈性模量2.0×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7 800kg/m3 。
