基于中弧面的模具型腔高质量重构方法研究硕士研究生学位论文.doc

硕 士 学 位 论 文（学 位 研 究 生）题目 基于中弧面的模具型腔高质量重构方法研究Research of Turbine Blade Mould Cavitys High Quality Reconstruction Based on Mean SurfaceByXXXXA Thesis Submitted to the Graduate Faculty of theNorthwestern Polytechnical UniversityIn Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree ofMASTER OF ENGINEERINGInAeronautical and Astronautical Manufacturing Engineering©ZHOU Limin 2013Supervisor: Prof. XXXSchool of Mechatronic EngineeringNorthwestern Polytechnical University March，201XXian，Shaanxi，P. R. China摘 要航空发动机涡轮叶片需要承受高温、高压等恶劣的工作环境，对其成型精度和质量有严格的要求，是研制发动机的关键。目前，航空发动机涡轮叶片主要采用无余量熔模精密铸造，辅以机械加工的工艺来完成。为了提高叶片的成型精度，模具设计是关键。本文针对模具优化设计过程中长期存在的型面重构问题而展开，通过对截面参数的研究，提出了基于中弧面的模具型腔高质量重构方法，为解决涡轮叶片的“精确控形”奠定了基础。本文研究内容包括：（1）研究了叶片模具型腔重构过程中的一些主要方法和遇到的问题，提出了基于叶片设计理念的模具型腔高质量重构方法，通过截面参数进行模型重构，避免了一般重构方法中对叶片气动性能的影响。（2）基于叶片反变形的三角网格模型，提取截面线数据，并对截面线数据进行初步光顺处理，为中弧线精确提取奠定了基础。（3）研究了叶片截面参数提取技术和叶片成型过程中的变形规律，提出了中弧线基于最大厚度位置的优化补偿方法。（4）提出了基于中弧面的模具型腔高质量重构的方法，通过对简单曲面的光顺重构代替复杂曲面的重构，避免了的曲面重构过程中的复杂的曲面拼接和光顺处理问题，并能有效地保证获得模具型腔的气动性。（5）提出了中弧面的光顺重构方法，采用插值和逼近相结合的拟合方法，为叶片模具型腔的重构奠定基础。关键词：模具型腔，型腔重构，中弧线，中弧面专业排版，专业论文修改 降低论文重复率请联系Q 2861423674淘宝搜索 文天下AbstractAero engine turbine blade works in bad working environment, and need to bear the high temperature, high pressure. So there is strict request for its forming precision and quality, also it is the key technology in development of engine. At present, the manufacture of aero engine turbine blade mainly adopts non-allowance precision casting, then with the use of mechanical processing technology to complete it. In order to improve the turbine blade forming precision, mould design becomes the key point. According to the long existing surface smoothness reconstruction problem during the mold optimal design process, this paper puts forward the high quality surface reconstruction method of mold cavity based on mean surface, and this laid a foundation for the turbine blade precision control.The main research content in this paper includes: (1) Study some main methods and problems in the reconstruction process of the blade mold cavity, and based on the concept of design, this paper puts forward the high quality reconstruction method which is based on the sectional parameters.(2) Based on the triangular mesh model of the blades reverse deformed model, extract its section line data, carry on the smoothing treatment to the section line data, and this lays a foundation for the mean lines accurate extraction. (3) Based on the mean line and section parameters extraction technology and deformation law in forming process, mean lines optimization method based on the maximum thickness position is put forward. (4) A smoothing reconstruction method of mold cavity is proposed based on the mean surface. Use this simple surface reconstruction to avoid the complicated surface splicing and smoothing problem in surface reconstruction process. Also this can guarantee the aerodynamic performance of turbine blade cavity.(5) The smoothing reconstruction method of the mean surface is proposed. With combination use of interpolation and the approximation, smoothing reconstruction is completed, and this lays a foundation for the smoothing reconstruction of mold cavity. Key words: Mold cavity, Mean line, Cavity reconstruction, mean surface目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1引言11.2研究背景及意义11.3存在的问题21.4国内外研究现状31.4.1精密铸造技术研究现状31.4.2叶片造型设计研究现状41.4.3曲线曲面造型技术研究现状61.4.4曲面曲线光顺重构技术研究现状71.5研究内容与章节安排81.5.1课题来源81.5.2研究内容91.5.3章节安排91.6本章小结10第二章 网格模型数据预处理112.1引言112.2截面数据预处理112.2.1截面数据获取112.2.2坏点剔除142.3截面线光顺拟合202.3.1曲线拟合的基本理论202.3.2 最小二乘B样条拟合242.4本章小结26第三章 截面特征参数的提取273.1引言273.2叶片截面特征参数的定义273.3截面轮廓分离和特征参数提取283.3.1截面轮廓分离283.3.2厚度控制参数提取303.4中弧线提取方法概述313.4.1中弧线的定义313.4.2中弧线求解方法323.5中弧线提取和长度补偿353.5.1中弧线的提取353.5.2基于设计模型的中弧线补偿方法393.6本章小结41第四章 基于中弧面的型腔重构434.1引言434.2 NURBS曲面的基础理论434.2.1数学模型434.2.2NURBS曲面的插值444.2.3NURBS曲面的逼近454.3中弧面光顺建模方法454.3.1插值中弧面464.3.2逼近中弧面474.4型腔重构494.4.1厚度模型建立494.4.2型线的获得504.4.3模具型腔复原514.5本章小结51第五章 功能模块开发与实例验证535.1引言535.2软件功能模块开发535.2.1VTK简介535.2.2UG二次开发简介545.2.3功能模块简介555.3实例验证605.4数值模拟验证665.5本章小结69第六章 总结与展望716.1论文工作总结716.2未来工作展望71参考文献73攻读硕士学位期间发表的论文及参与的课题76致 谢77学位论文知识产权声明书79学位论文原创性声明79第一章 绪论1.1引言涡轮叶片是航空发动机的关键部件，它具有内部冷却结构复杂、气动外形和叶片尺寸精度要求严格、工作条件苛刻的特点，它的作用是将高温、高压燃气热能转变为旋转运动的机械能，要求尺寸小、效率高1-3，其设计和制造质量直接影响发动机的整体性能，是发动机研制的关键。涡轮叶片的工作环境决定了其制备材料大多采用高温合金，而高温合金的机械加工性能较差，此外，为了减轻重量，空心涡轮叶片占很大的比例，为提高叶片的质量和精度，大多采用熔模精密铸造，熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量。目前国内精铸空心涡轮叶片普遍存在这成形精度较低，质量不稳定的现象，空心涡轮叶片的研制成为新型高推重比发动机研制的“瓶颈”，其中模具设计是关键，近年来模具设计引起了众多的而关注，在模具反变形优化设计过程中，模具型腔的重建质量是影响模具优化设计的关键一步。1.2研究背景及意义高性能航空发动机的研制涉及众多领域的前沿关键技术，其研制水平在一定程度成为衡量一个国家航空工业水平的显著标志4-6。目前我国尚未具备自主研发和生产先进航空发动机的能力7。尤其是空心涡轮叶片的研制水平，成为制约我国新型号发动机研制的巨大障碍。20世纪90年代，国外在飞机新型动力装置的设计中，为提高推重比，普遍采用复合气膜冷却的单晶空心涡轮叶片。空心涡轮叶片8是高推重比发动机的核心，是透平机械的核心部件，也是易断裂失效零件。其性能水平，是一种型号发动机先进程度的重要标志，复杂空心涡轮叶片的设计制造是目前国内公认的重大技术难题9。发动机的内部结构如图1-1所示：图1-1 涡轮发动机内部结构示意图据有关调查显示，国内一直没有解决发动机叶片的型面精度低、质量不稳、废品率很高的问题，一般的导向叶片合格率为5560%，动力叶片为2025%，其中斯贝发动机的某空心叶片合格率最高仅为28%，最差时为0%10。国外主要发动机公司均已经建立定向凝固和单晶涡轮叶片精铸生产线，其叶片单面余量已稳定在0.050.1毫米()，导向叶片达90%以上，动力叶片合格率可达70%以上，据统计，采用国内的模具和陶芯时，涡轮叶片精铸成品率不到40%；而采用从国外引进的模具和陶芯，成品率可达80%以上。由此可见，精铸模具的设计是影响成品率的主要因素11。本文主要针对影响叶片成型质量的蜡模进行研究，面向目前国内研制的精铸叶片成型精度偏低、质量不稳、废品率很高的现状，针对空心涡轮叶片铸件型面的“精确控形”问题及模具优化设计的型面高质量重构问题，基于反变形优化后的网格模型进行模具型腔的高质量建模，为提高模具设计效率、减少修模次数、缩短制造周期、降低制造成本提供保障。1.3存在的问题空心涡轮叶片熔模精密铸造的基本过程为：首先，通过内型模具压制陶瓷型芯并烧结硬化；然后，使用外型模具进行陶芯与蜡模匹配压型，经过型壳制备等后续工序，完成叶片铸造。通常情况下，影响空心涡轮叶片形状尺寸的因素有很多，通过对涡轮叶片铸件的测量与分析，发现精铸叶片的变形趋势具有一致性12。这说明在一定的工艺情况下，模具的设计制造技术成为影响涡轮叶片几何形状与尺寸精度的主要因素。模具型腔的优化可以有效地实现涡轮叶片的精确控形。实际生产中，由于精铸模具具有结构复杂，设计周期长、制造难度大等特点，空心涡轮叶片精铸净成型模具设计制造已成为制约我国航空发动机行业发展的“瓶颈”之一。近年来我国在空心涡轮叶片数值模拟和模具优化设计方面都取得了一定的进展，西北工业大学现代集成与制造教育部重点实验室在模具反变形优化方面取得了很大的进步，实现了非线性收缩变形的位移补偿，但是由于各点变形量不一致性，反变形后的网格模型表面质量较差，进行高质量的曲面重构难度很大，通过一定的曲面光顺技术，可以得到光顺的模具型腔，但是会使模具丢失一些重要的特征信息，获得的模具很难满足叶片气动性能要求，因此如何基于反变形数据获得高质量的模具型腔的实体模型是型腔优化设计中亟待解决的问题。本文主要针对反变形优化的后的网格模型重构难题，进行模具型腔的高质量重构研究，解决反变形网格模型重构过程中气动性能差，重构质量低的问题，从而为涡轮叶片精铸模具的虚拟修模与优化设计提供有效的技术支持。1.4国内外研究现状1.4.1精密铸造技术研究现状熔模铸造的一般过程是用蜡料制成蜡模，在蜡模上包覆若干层耐火涂料制成型壳，熔出蜡模后经高温焙烧即可浇铸的铸造。经过熔模铸造制得的铸件不仅精度高而且表面光洁，所以被广泛用于生产汽轮机、涡轮机的叶片或叶轮，切削刀具以及飞机、汽车和机床上的小型零件13。国外的熔模精密铸造技术发展比中国早，我国熔模铸造技术在制模、制壳、高温合金、定向凝固和检测技术等方面与国外均有很大的差距。上世纪70年代，美、英、苏等发达国家率先研究成功了高温合金近净形熔模精密铸造技术，随着后来的热等静压技术、高温合金过滤净化技术的发展使熔模铸件的冶金缺陷大大减少，性能显著提高14。20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现，标志着熔模铸造过程数值模拟技术已完全成熟并进入实用化阶段，有相当一部分已成功地用于熔模铸造。其中，最具代表性得有AFSolid(3D)(美国)、PASSAGF/POWERCAST(美国)、MAGMA( 德国)、PAM- CAST( 法国)、ProCAST(美国)等 15。有限元仿真软件的应用，大大的缩短了试制周期，提高了铸件的成品率，节约了生产成本。但是由于数据库数据匮乏，某些材料(例如特殊合金材料和某些型壳材料)的热物理性能数据很难寻觅，图形数据文件标准化和相互交流方面存在问题，导致当前推广应用计算机仿真技术存在的问题。我国精铸业从20世纪50年代末开始，到20世纪80年代,经过近30年的发展才达到1988年的年产5万吨精铸件，年产值3.3亿元人民币的水平。据分析统计2003年年产量达60万吨，为1988年年产量的12倍16。近年来，我国在熔模精密铸造在制模，制壳技术上有了很大的发展。20世纪70年代从英国成套引进斯贝MK202飞机发动机及其制造技术时获得了无余量熔模精密制造技术，并应用于航空工业17。由于航空航天企业的精密铸造受到国家的重视，进行了较大的技术改造，引进了先进的设备，制壳工艺也由原来的硅酸乙酯工艺转换为硅溶胶工艺，一些主要企业的精铸技术水平更加靠近国外先进水平。我国高温合金近净形熔模精密铸造技术是在上世纪70年代末期80年代初期形成的，早期的研究技术水平与国外同时期先进水平相当，但我国的复杂薄壁空心叶片、大尺寸复杂薄壁结构件近净成形熔模精密铸造技术水平与发达国家相比仍存在较大差距，主要是近净成形熔模精密铸造技术基础理论、复杂薄壁结构件在熔模精密整铸过程中变形规律、凝固结晶过程控制等领域基础薄弱，加之早期投入的力度不能保证建立有效的工艺装备条件，迄今的研究条件依然达不到国外上世纪80年代末期的水平。在我国航空发动机精铸涡轮叶片设计制造过程中，叶片的精度与质量问题一直是我国高性能航空发动机研制中的瓶颈，也是国外对我国严密封锁的核心技术。目前国内在精铸叶片研制中，设计与分析集成技术、计算机过程控制与仿真技术的应用方面尚属空白，尤其是模具设计制造质量低是导致发动机涡轮叶片成品率低的主要原因。1.4.2叶片造型设计研究现状叶片实体一般由叶身实体（由叶身型面构成）、榫头和缘板等附加结构构成。缘板和榫头具有简单的结构，且种类固定，一般采取特征库的方式来完成建模和设计。其中叶身部分是涡轮叶片的主要工作部分，叶身型面是由叶身截面按一定规律积叠而成的自由曲面。同叶身截面造型有相似的要求，其型面的构造一方面要满足光顺性要求，另一方面又要保证拟合后的型面的气动性能。目前叶身型面的造型方法有很多，其中Bezier、B样条方法和非均匀有理B样条方法(NURBS)被广泛应用于叶身型面曲面造型中。文献18对叶身型面的光顺性问题作了研究。航空发动机涡轮叶片设计的一般流如图1-2所示：图1-2 叶片设计的一般流程为了获得高质量的叶片型面，截面设计是关键。叶身截面线又称叶片型线，简称叶型。叶型线和叶身曲面的几何表示是叶片结构设计的前提。由于叶型和叶身曲面是一种较为复杂的自由曲线、曲面，不能用初等曲线、曲面来描述，因此它们的造型方法一直是人们研究的热点。传统的叶身截面(叶型)设计是经气动计算得出叶身截面离散气动数据点，结构设计人员再根据这些气动数据点拟合出叶型。在拟合过程中，既要考虑尽量满足涡轮叶片的气动性能，又要考虑叶身截面的光顺性，这成为叶身截面造型技术中的难点。叶身曲面由多条叶型线作为基线积叠而成，其成型方法为蒙皮19。涡轮叶片几何造型实质就是找到一种既能有效地满足形状和几何设计要求，又便于形状信息和产品数据交换的数学方法来描述涡轮叶片曲面。由于前缘和后缘曲率急剧变化，所以该地方易发生扭曲，这是叶身曲面造型的难点20。北京航空航天大学的王春侠等，讨论了叶身建模过程中的离散点处理等关键问题，采用双3次B样条拟合了叶片型面的空间样条曲面模型。鉴于NURBS方法的这一系列优点，哈尔滨工业大学的李刚和王刚21等，分别研究了叶身曲面基于NURBS的表示方法。西北工业大学的田庆基于UG开发了叶身造型系统，重点研究了截面线的叶型曲线拼接问题。中弧线是叶型线设计的前提，在中弧线计算方面，西北工业大学的白瑀等22提出基于内切等距的迭代中弧线算法，但当叶盆曲线和叶背曲线在内切圆切点处的2个切矢之间夹角过小时，该方法可能无解，且计算量大。张力宁等对此进行了改进，提出了基于等距线的中弧线算法23。但是，等距线方法通过有限点插值而成型中弧线，型值点密度的可控性较差。文献24提出了基于管道交线投影法的中弧线算法，显著提高了中弧线的计算效率，并基于管道交线投影法计算的中弧线，提出并实现了变壁厚涡轮叶片的结构设计。在叶片结构设计涉及的关键技术有特征分析、特征建模和特征参数化等。西北工业大学的虞跨海基于解析以及特征造型进行叶片的参数化设计，实现了叶身、缘板、榫头等特征的参数化设计。王荣桥等25则开发了压气机叶片的结构设计系统，以用户自定义特征为基础，在叶片结构优化方面做了初步探索。近年来，由于反问题方法(inverse method)的发展，也出现了靠几种简单解析曲线的组合来构成叶型的解析成型方法，如简单圆弧法，多圆弧法和圆锥曲线法等。这种造型方法以一种解析曲线作为基本曲线，并根据气动设计依据建立几何约束条件。通过调节进出口几何角、安装角、最大厚度及前、后缘的圆半径等气动设计参数，就能得到叶型。这种造型方法将叶片的成型与气动性能直接联系起来，使人们获取具有预期可控气动性能叶型的愿望成为可能26。但是这样的几何造型法目前还在发展中，设计工作量大，而且气动性能不易保证。将传统造型法和气动造型法的相结合，采用正反问题方法是今后叶身截面造型的一个发展方向27。1.4.3曲线曲面造型技术研究现状曲线、曲面造型是CAD/CAM和计算机图形学中最活跃、关键的技术分支之一。曲面曲线造型技术在各个领域都有重要的应用，目前，CAD/CAM技术水平己经成为衡量一个国家科技现代化水平的重要标志。CAGD(Computer Aided Geometric Design，简称)是随着现代工业的发展和计算机的出现而产生与发展起来的，它的产生和发展推动了CAD/CAM技术的发展和应用，CAGD与一个国家的发展水平和该国工业发展水平紧密相关。1963年，美国波音飞机公司的Ferguson，首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，并引入参数三次曲线。自此，曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。1964年，美国麻省理工学院的Coons发表一种具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可以定义一块曲面，但这种方法存在形状控制与连接方面的问题。1971年，法国雷诺汽车公司的Bezier提出一种由控制多边形设计曲线的新方法。解决了整体形状控制问题，只要移动控制顶点就可方便地修改曲线的形状，不足之处是，Bezier方法仍存在连接问题和局部修改问题。1974年，美国通用汽车(GM)公司的Gordon和Riesenfeld提出了B样条曲线曲面，并将该理论应用于形状描述。它继承了Bezier方法的一切优点，克服了Bezier方法存在的缺点，成功地解决了局部控制问题，并在在参数连续性基础上解决了连接问题，然而对于圆锥截线及初等解析曲面却不能精确地表示，而只能给出近似表示。在此背景下，人们提出了有理B样条方法，此方法与描述自由型曲线曲面的B样条方法相统一又能精确表示二次曲线与二次曲面，它采用分子分母分别是参数多项式与多项式函数的有理分式表示，且经常以非均匀类型出现。后来由于Pieg和Tille等人的工作，终于使非均匀有理B样条(NURBS)方法成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术。NURBS方法的出现不但解决了自由曲线曲面与初等解析曲线曲面描述的不相容问题，并克服了Bezier、B样条方法的不足，同时权因子和非均匀节点矢量使得能够对曲线曲面的形状进行更加有效地控制，而且能够使得在一个系统中严格地以一种统一的数学模型定义产品几形状，使系统得以精简，易于数据管理，便于工程人员使用，同时提高了曲面造型能力28。1.4.4曲面曲线光顺重构技术研究现状在逆向工程中，当数据点过于密集或者曲面曲率变化比较大的时候，如果采用整体拟合的方法，难以保证拟合精度而且容易产生畸形曲面片。所以现在多采用数据分割技术将数据点分割为多个四边界区域，将复杂形状的自由曲面划分成四边界区域后，就可以对各个四边界区域进行参数化和曲面的光滑拟合。Ma通过向基曲面投影的方法实现了散乱点的参数化。Eck29和Floater30通过建立一个三维三角网格向二维平面三角网格的映射，在二维平面上给出数据点的参数值，再将其映射回三维三角网格中，解决了空间三角网格的参数化问题。对多张曲面的光滑拟合， Milroy31提出了一种近似的全局G1连续的分片B样条曲面拟合方法：该方法先构造一系列的三维B样条曲线作为分片曲面的边界，再用较少的控制顶点构造边界G0连续的初始B样条曲面，然后在边界处建立满足G1连续的罚函数，最后用非线性最小二乘算法来调整局部控制顶点，得到G1连续的B样条曲面。它的缺点是仅保证近似G1连续，而不是精确的G1连续，且非线性最小二乘问题的计算量大，在实际应用中对计算环境有较高的要求。南航的张丽艳32以任意散乱测量点集为处理对象，建立曲面三角网格模型，并在此基础上，对模型进行自动四边界区域划分，进而实现分片连续的B样条曲面拟合。刘胜兰33对三角网格模型提出了区域边界优化数据分割技术，使区域边界基本与特征线相吻合，最后在相邻曲面片间增加跨界切矢和混合偏导矢相关约束拟合后得到G1连续曲面。针对曲面重构的问题，华中理工大学的崔汉锋等34提出将拓扑模型的提取和多个曲面光滑拟合相接合的多个曲面光滑重建算法。该算法保证了相邻曲面间具有很高的几何连续性。关于曲线曲面的光顺性问题，1969年Hosakalz35在能量极值的基础上最早提出了用于空间三次参数样条曲线光顺和网格光顺的能量法。1977年，忻云龙提出了网格基样条法，存在的缺点是检查与修改的结果不一致，光顺的过程要反复检查修改，比较耗时。1983年，Kjellander36提出了一种三次参数样条曲线和双三次参数样条曲面局部光顺的方法，同年，Nowacki和Reese37提出用薄板应变能量作为曲面光顺的准则，此方法被公认为是一个比较合理的准则，但是构造此准则的算法较困难。Farin38提出一种通过节点删除与插入对B样条曲线光顺的方法。1987年，Lott39等提出了B样条曲面光顺的能量法。1992年，彭国华提出了一种非参数曲面光顺方法，给出了计算曲面能量的一种简单方法，并构造出参数曲面的光顺方法。2002年，蔡中义提出的有限元光顺法，为曲线曲面光顺的研究开辟了新的途径。针对三角网格的光顺问题，聂军洪40将拉普拉斯算子法向分量用平均曲率算子来代替，这种算法取得了较好的光顺性与特征保持性，但在原始模型的平坦处却带来了新的扰动；尹旺中15提出了一种新的基于三角片法矢调整的三角网格模型光顺方法，Kuwahara滤波方法有很好的特征保持特点以及拉普拉斯方法的快速光顺能力，使模型既达到了理想的光顺效果，又保持了其特征，甚至能够调整不理想特征。西北工业大学赵杰41针对有限元分析产生的三角网格离散数据，对模具型腔的曲面重构进行了研究，文中主要采用基于四边区域划分的曲面重构技术，将离散点云数据划分为几个区域后分别进行曲面逼近，然后对逼近的曲面片进行光顺拼接。但是对于反变形的网格模型，存在着部分区域数据点偏差较大，变形强烈的部分，采用传统的方法对曲面进行重构，即使采用光顺方法可以使曲面达到比较好的光顺性，但是很难满足叶片的气动性能要求。1.5研究内容与章节安排1.5.1课题来源本课题来源于：国家“863”项目：“涡轮叶片精铸模具型腔反变形优化设计技术”；航空科学基金项目“基于位移场解耦分析的涡轮叶片模具型腔反变形优化设计新方法”等项目的技术需求。1.5.2研究内容本文以单晶空心涡轮叶片反变形优化设计的精铸模具的型腔为研究对象，进行模具型腔光顺重构方法研究。对反变形网格模型进行截面线的提取和光顺，以便获得高质量的中弧线数据和厚度模型，并对中弧线进行相应的优化，然后拟合得到光顺的中弧面模型，最后基于中弧面模型，依照叶片的设计理念，叠加厚度模型，获得模具的叶型线，实现涡轮叶片模具型腔的高质量的曲面重构。本文主要研究内容包括：1. 反变形模型网格数据预处理1) 提取模型截面线数据；2) 拟合得到光顺的截面线；2. 提取截面特征参数1) 轮廓分离及厚度模型控制参数提取；2) 中弧线提取及优化补偿；3. 拟合得到光顺中弧面模型采用插值与逼近相结合的方法实现中弧面的光顺重构；4. 叶片型腔重构基于反变形优化后的中弧面模型和厚度模型，通过型线复原，建立优化的模具型腔模型。5. 结果验证：采用数值模拟手段对重构的模具型腔进行验证。1.5.3章节安排论文共分六章，各章节的组织结构如图1-3所示。第一章，绪论。分析涡轮叶片精铸模具型腔优化设计的需求背景和研究意义。阐述国内外研究现状，在此基础上指出本论文的研究内容。第二章，网格模型截面数据的预处理。本章主要介绍网格模型数据的处理方法，并在此基础上，基于本文的研究对象提出截面线的光顺拟合方法，为和中弧线的精确和光顺提取奠定基础。第三章，截面特征参数提取和优化补偿。本章进行截面特征参数的提取，包括中弧线、厚度模型和最大厚度位置等参数，并对中弧线进行长度补偿。第四章，模具型腔的光顺重构。提出了基于中弧面的模具型腔光顺重构方法，并对中弧面的光顺建模进行了研究。第五章，实例验证。分别对CAD模型和反变形网格模型进行型腔复原重构验证，并用构数值模拟手段对重构结果进行分析。第六章，结论与展望。总结本文的研究工作，对今后的工作提出了展望。图1-3 论文的章节与组织结构1.6本章小结本章主要介绍了论文的研究背景，讨论了涡轮叶片造型技术与曲面重构等关键技术的国内外研究现状，分析了存在的问题，阐述了课题来源和论文的章节安排及组织结构。第二章 网格模型数据预处理2.1引言为保证零件成型的尺寸与形位精度，模具的型腔设计必须考虑对铸件收缩变形的补偿。目前常采用位移场反向叠加法进行模具型腔优化，由于叶片成型过程中变形的非线性特点，网格位移场反向叠加法所得的网格模型表面质量差，一般光顺方法获得的模具表面质量差，经过光顺处理后达不到预定的气动性能等要求，不能作为最终的模具型腔。因此本文提出基于中弧面的型腔复原方法，最终获得既能满足表面光顺性又能满足气动性的质量较高的模具型腔。由于反变形后的网格模型表面极不规则，所以需要对其截面线进行光顺处理，以保证中弧线等截面特征参数的精确提取，为后续的型腔重构工作奠定基础。2.2截面数据预处理2.2.1截面数据获取逆向工程是CAD/CAM领域中一个独立的研究和应用范畴，它是从已有的物理模型或实物样件出发建立相应的CAD模型，进而开发出更为先进产品的过程。按照建模过程可将其分为4个步骤：数据采集、数据预处理、区域分割及曲面逼近和CAD建模42。本文研究的涡轮叶片模具型腔的高质量重构过程属于逆向工程范畴，具体的步骤分为反变形网格模型截面数据预处理、截面参数的提取、中弧面光顺建模、截面型线的获得及曲面重构和模具实体模型获得。逆向工程数据具有存储无序性的特点，所以如果能够对数据进行重新组织，将三维数据点表征为一种有序的二维数据结构，具有重要的意义。可利用切片技术将原始的无序数据点转化为具有层列结构的有序组织形式，使最终获得的数据表示形式在尽量保持原始形状特征信息的同时，减少数据冗余43。对于反变形网格模型，很难直接由离散的数据点拟合成一张高精度的、光顺的曲面，如果能够映射出反变形网格模型的截面特征参数，基于截面特征参数对其进行曲面重构，可以得到高质量的模具型面。由于网格数据存在变形严重区域的特点，这一特点为后续的中弧线的精确提取和曲面重建带来了很大的困难，所以本文从截面线出发，首先对截面线进行简单的光顺处理，为后续工作奠定基础。基于散乱点云准确获取截面特征数据进行曲面重建，可有效提高曲面模型的重建精度和效率。目前常用的截面数据获取算法主要有投影法和求交法。方法1：投影法投影法的基本思想是用一个法失近似地垂直于点云型面法矢的截平面截取点云数据，基于静态索引结构通过反复调节距离阈值获取截面邻域数据，将邻域数据向截平面投影，以投影点作为截面数据点。投影法获得切片数据的具体算法如下：设点的数据集合为。取平行于XOY平面的截平面F截取点云数据，由于刚好在此平面上的点数可能比较少，导致获得的截面数据很稀疏，所以需要设定一个阀值h，并把在阀值h内的点向F平面投影，得到F平面内的点云切片数据。原理图如下：图2-1 投影法原理本文首先提取三维网格模型的顶点数据，存成点云数据模型，采用投影法获得截面切片数据，根据此叶片设计模型的尺寸和形状特点，在叶片设计过程中每隔10mm设计一个截面型线，而模具具有和叶片相似的尺寸和形状特征，因此，获得截面数据的时候每隔10mm截取一个截面数据，阀值设置为0.05，0.1,0.15和0.3mm时截取的截面点云数据，如图所示：阀值0.05阀值0.1阀值0.15阀值0.3图2-2 不同切片阀值获得截面数据从上面的对比可以看出，选择不同的阀值，截取的截面数据具有不同的特点，如果阈值过小，会导致提取数据点的不足，无法精确地进行截面线的拟合，阈值过大，邻域数据点向截平面投影会导致较大的误差，有较大的数据冗余，导致提取的截面数据不可靠；一般阀值的选取原则是取阀值在0.05-0.1mm之间，在这个阈值之内，点云的型面法矢几乎与切平面法矢垂直，此时获得截面数据具有较好的精度，从而能保证投影的可靠性。但是对于本文处理的模型，在较小的阀值范围内，获得的截面数据有很大的缺失，不能完整地表征截面线。因此投影法不适合本截面数据获取。法二：求交法：求交法的原理是基于平面与模型求交构建交线，以平面两侧点云最近点连线近似表达模型局部轮廓。在求交法中，对截平面F一侧点集(如Pl)中的每个点Pli在Pr（另一侧点集）中找到与其距离最小的点Pri，计算连接点Pli和Pri的线段与切片平面F的交点P，该交点即为所求的切片数据点，如果在给定的范围内无法找到Pli的对应点Pri，则Pli为无效点。求交法原理图如下：图2-3 求交法原理图如何高效求取线段PliPri与平面F的交点是求交法的关键所在。首先需要搜索Pli的对应最近点Pri，定义截平面F为XOY平面，并且取平面F的法矢为Z轴，建立局部坐标系，则在局部坐标系下Pl中散乱点Pli=xli，yli，zli；Pr中散乱点Pri=xri，yri，zri，对Pl和Pr在局部坐标系下分别沿X，Y方向进行二维最小包围盒分割，将Pl和Pr中的散乱点压入二维栅格，以便于搜索对应点，文献43对该求交法有深入的研究，最终可以求得交点Pi（xi，yi，zi），满足下式 (2-1)由上式可求得线段PliPri与平面F的交点在局部坐标系下的坐标。最终可求得切平面数据： (2-2)求交法在计算上要比投影法复杂，但前者在切片精度上要比后者高，尤其当切片平面与点云数据描述的曲面法矢交角比较大时，投影法得到的切片数据具有较大的误差。本文处理的数据是三角网格模型，利用求交法有更多的优势，