本文關鍵詞：面向航空發(fā)動機葉片頂端修復的曲面再生算法與誤差分析

  更多相關文章： 磨損葉片修復 曲面延拓 幾何連續(xù)性 B樣條曲線曲面 誤差分析

【摘要】：在航空發(fā)動機中,葉片是壓縮機和渦輪機的核心組件,苛刻運行環(huán)境造成葉片嚴重磨損、扭曲、裂紋、凹坑等缺陷。由于葉片形狀的微小改變會直接導致航空發(fā)動機的穩(wěn)定運行,缺陷葉片的精密修復就成為航空發(fā)動機保障其高性能的關鍵因素。目前葉片修復工作主要集中在頂端磨損、崩口、葉面磨損等缺陷,其中葉片頂端磨損尤其是扭曲葉片的頂端磨損是急需解決的關鍵。本論文針對扭曲葉片頂端磨損缺陷的修復問題,開展精密修復過程中所需的葉片曲面模型重構研究,提出基于遺傳算法的扭曲葉片非磨損域曲面重構和基于G2曲面連續(xù)的葉片頂端曲面再生等方法,為葉片修復過程中的精密加工路徑的生成提供相應的曲面模型,解決各自葉片形體精密修復的參考模型構建難題,有利于促進資源的再利用和經濟的可持續(xù)發(fā)展。本文的主要內容包括如下幾個方面：1)較為全面地調研了航空發(fā)動機葉片修復的國內外研究現(xiàn)狀和存在的難題。航空發(fā)動機葉片修復以葉片頂端磨損缺陷的修復居多,國外對于此類缺陷的直葉片修復已較為成熟,但對于扭曲葉片頂端磨損域的精密修復問題仍然未有很好的解決途徑。由于葉片的制造誤差和使用過程中易發(fā)生變形等原因,使葉片原設計階段的曲面模型不再適用于修復階段,精密重建和再生修復葉片的磨損域曲面模型,成為扭曲葉片修復加工成型的重要環(huán)節(jié)。2)針對葉片頂端磨損域邊界附近的未磨損域曲面模型重構問題,提出基于迭代的扭曲葉片未磨損域曲面重構方法。該方法首先對截面測量數(shù)據(jù)進行對正處理,推導出閉合B樣條曲線G2連續(xù)的表達式,以此構建迭代插值法計算其控制點,擬合出葉片截面輪廓線,并由此構建出基于B樣條曲面的葉片未磨損域的曲面模型。重構曲面的擬合平均誤差約為0.0325mm。為進一步提高曲面重構精度,本文提出基于遺傳算法的扭曲葉片未磨損域曲面重構方法。該方法運用遺傳算法進行數(shù)據(jù)點參數(shù)化和節(jié)點矢量的配置,用最小二乘逼近法計算其控制點,無需對測量數(shù)據(jù)進行精簡或施加人為約束,擬合的平均誤差僅為0.003451mm,擬合精度顯著提高。3)基于葉片未磨損域的曲面重構模型,重點研究磨損葉片頂端的曲面模型再生問題,提出基于最小能量法的B樣條曲面再生方法。該方法沿葉片葉高方向,通過B樣條曲線延拓算法延拓出磨損域的對應控制點,構建基于最小能量法的節(jié)點矢量,進而再生出磨損域的B樣條曲面模型,同時保證延拓曲面的光順性。通過葉片延拓再生模型與原始葉片模型(保留了磨損域的模型)的截面線誤差比較分析,發(fā)現(xiàn)延拓的曲面模型誤差較大,且隨葉片未磨損域的截面線上測量數(shù)據(jù)點的間距、延拓距離、葉片扭曲度的增加而增加,延拓精度需進一步提高。4)考慮到葉片延拓模型的曲面連續(xù)性要求及控制延拓誤差的問題,提出基于G0曲面連續(xù)的B樣條曲面延拓再生算法。該方法充分考慮到扭曲葉片曲面各橫向截面輪廓線曲率變化較大的特點,確定相鄰B樣條曲面的G0、G1、G0連續(xù)的邊界條件,推導出磨損曲面控制點的求解方法,使各系數(shù)分別由G1、G0連續(xù)性確定,并由一個形狀參數(shù)a,進行調整。該方法能夠保證延拓曲面的G0連續(xù),可保證后續(xù)加工路徑的生成,延拓曲面模型的誤差明顯減小。5)在上述算法研究基礎上,開發(fā)出面向修復的扭曲葉片頂端磨損曲面模型重建原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用Visual C++6.0開發(fā)平臺和OpenGL三維圖形技術來實現(xiàn),具有葉片非修復域曲面模型重構、磨損域曲面再生、及曲面模型的IGES文件輸出等功能,可為精密修復過程加工代碼的生成提供所需的葉片頂端曲面模型。
【關鍵詞】：磨損葉片修復 曲面延拓 幾何連續(xù)性 B樣條曲線曲面 誤差分析
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V232.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 緒論15-36
• 1.1 研究背景和意義15-18
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀18-33
• 1.2.1 葉片修復中的模型重構18-27
• 1.2.2 曲面重構與延拓27-32
• 1.2.3 研究思路32-33
• 1.3 本課題來源及論文主要章節(jié)內容介紹33-36
• 1.3.1 課題來源33
• 1.3.2 論文主要章節(jié)內容33-36
• 第二章 基于迭代算法的扭曲葉片曲面重構36-56
• 2.1 非均勻B樣條曲線36-40
• 2.1.1 非均勻B樣條曲線的定義和性質36-37
• 2.1.2 節(jié)點矢量的確定37-38
• 2.1.3 B樣條曲線導矢的計算38-39
• 2.1.4 曲線的幾何連續(xù)性39-40
• 2.2 基于迭代算法的曲面重構算法40-54
• 2.2.1 葉片曲面輪廓數(shù)據(jù)預處理42-46
• 2.2.2 基于G~2連續(xù)閉合B樣條曲線迭代擬合算法的控制點計算46-52
• 2.2.3 U、V防向節(jié)點矢量的確定52-53
• 2.2.4 B樣條曲面擬合53-54
• 2.3 曲面重構實例與誤差分析54-55
• 本章小結55-56
• 第三章 基于遺傳算法的扭曲葉片曲面重構56-68
• 3.1 遺傳算法的基本步驟56-57
• 3.2 基于遺傳算法的曲面重構算法與求解57-64
• 3.2.1 數(shù)據(jù)點測量及參數(shù)設定59
• 3.2.2 曲面數(shù)據(jù)點的參數(shù)化59-60
• 3.2.3 節(jié)點矢量的計算60-61
• 3.2.4 控制點的計算61-63
• 3.2.5 曲面重構63-64
• 3.3 重構曲面的誤差分析64-67
• 3.3.1 與imageware計算誤差比較64-65
• 3.3.2 三種葉片重構誤差對比65-67
• 本章小結67-68
• 第四章 基于最小能量法的扭曲葉片磨損曲面再生68-83
• 4.1 扭曲葉片頂端磨損區(qū)域的曲面再生算法68-77
• 4.1.1 目標控制點生成算法70-72
• 4.1.2 V向B-spline曲線延拓算法72-75
• 4.1.3 基于最小能量法的節(jié)點矢量優(yōu)化算法75-76
• 4.1.4 葉片頂端磨損域的曲面模型再生76-77
• 4.2 葉片曲面延拓實例與誤差分析77-82
• 4.2.1 直紋葉片77-79
• 4.2.2 扭曲葉片79-82
• 本章小結82-83
• 第五章 基于G~2曲面連續(xù)的扭曲葉片磨損曲面再生83-105
• 5.1 B樣條曲面幾何連續(xù)性分析基礎83-86
• 5.1.1 B-spline曲面表達式及其導矢83-85
• 5.1.2 曲線曲率與曲面曲率85-86
• 5.2 扭曲葉片頂端磨損區(qū)域曲面再生算法86-100
• 5.2.1 基于鏡像法的右端點生成算法88-90
• 5.2.2 基于G~0、G~1、G~2連續(xù)的控制點生成算法90-99
• 5.2.3 葉片頂端磨損域的曲面模型再生99-100
• 5.3 實例分析100-104
• 本章總結104-105
• 第六章 葉片修復原型系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)105-121
• 6.1 葉片修復系統(tǒng)的功能模塊105-107
• 6.2 葉片曲面的IGES文件輸出107-111
• 6.3 修復系統(tǒng)開發(fā)與系統(tǒng)界面111-112
• 6.4 典型算法實現(xiàn)流程圖112-114
• 6.5 系統(tǒng)部分運行實例114-120
• 6.5.1 基于迭代算法的扭曲葉片曲面重構實現(xiàn)過程114-117
• 6.5.2 基于遺傳算法的扭曲葉片曲面重構實現(xiàn)過程117-118
• 6.5.3 系統(tǒng)曲面再生算法實現(xiàn)過程118-120
• 本章總結120-121
• 結論與展望121-124
• 1.研究內容總結121-122
• 2.論文的主要創(chuàng)新點122-123
• 3.研究方向展望123-124
• 參考文獻124-134
• 攻讀博士學位期間發(fā)表論文134-136
• 致謝136

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本文編號：528390