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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 汽车发动机叶片的逆向造型与优化设计 姓名：占长清 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：刘苏 20090301 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 逆向工程是实现产品快速制造与创新开发的重要技术之一，它可以快速、精确地将设计思 想转变为具有一定功能的原型或直接制造产品, 从而对产品设计进行快速评估和修改。逆向工 程不仅是原产品的再现， 也是基于原产品的创新设计。 本文以汽车发动机冷却风扇为研究对象， 对逆向工程曲面重构等关键技术进行了深入的研究。主要研究内容与研究成果如下： 1.分析比较了几种常见的数据测量方法，根据风扇叶片的曲面特点，选
2、择高效快速的测量 设备 ATOS 光学扫描仪对风扇进行数据采集，得到其三角网格模型； 2.基于叶片的网格模型，较为深入地研究了三角网格简化、孔洞修复等数据处理技术，提 出了基于曲率的分段孔洞填充方法； 3.以 Pro/ENGINEER 3.0 为软件平台，对基于 Pro/E 的逆向造型技术进行了研究。提出了将 过渡曲面特征提取方法用于叶片特征线提取中，对数据处理后的叶片模型进行重新造型，得到 了叶片的自由曲面。并对重构的叶片曲面进行光顺性和精度分析； 4.针对风扇振动产生的噪声问题，运用 ANSYS10.0 软件对重构的叶片实体进行模态分析。 并在此基础上，对叶片造型方法进行改进与再分析。通过
3、前后分析结果对比，得到了力学性能 优化，振动降低的叶片模型。 关键词关键词: 叶片，逆向工程，Pro/E，ANSYS，曲面重构，有限元分析 汽车发动机叶片的逆向造型与优化设计 ii ABSTRACT Reverse engineering is one of the important technologies of making rapid manufacture and innovation research, it can change design idea into the prototype quickly and precisely or manufacture the prod
4、uct directly, then we can evaluate and modify the design quickly. Reverse engineering is not only the imitation about the product, but also the innovation about the product. In this paper, the author take the automobile cool fan as the object of research and make a deep research about the key techno
5、logy of surface reconstruction and so on in the reverse engineering. The main research content and achievements are as followings: 1. Compare with several ways of data measurements. Based on the trait of vane, take ATOS as the measure device which has the high efficiency to obtain triangle mesh mode
6、l. 2. This paper research the simplification method and hole covering of triangle mesh based on the mesh model of vane, and put forward the subsection hole fill based on curvature. 3. Take the software Pro/ENGINEER 3.0 as the platform , study reverse restyle of vane base on Pro/E, and put forward th
7、e way of extraction of blend surface feature, and reconstruction on the triangular mesh vane, then get the free surface . At last, check the smooth and precision of vane. 4. Aimed at the vibration and the noise about the fan , make “modal” finite element analysis of the vane by using ANSYS10.0, then
8、 modify the shape and analyze the mechanics ability again , compare with the results of old and new, it can be known that obtain the optimization vane which have better mechanics ability and less vibration. Key Words : vane, reverse engineering, Pro/E，ANSYS, surface reconstruction, finite element an
9、alysis 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图清单 图 1. 1 传统设计过程与逆向工程设计过程的对比 2 图 1. 2 本研究采用的方案.8 图 2. 1 数字化方法的分类.9 图 2. 2 ATOS 流动式光学扫描测量仪13 图 2. 3 ATOS 光学测量原理13 图 2. 4 风扇参考点贴法.14 图 2. 5 风扇实物拍摄角度14 图 2. 6 ATOS 测量物体的流程15 图 2. 7 风扇小平面特征建模环境.17 图 2. 8 顶点删除法.18 图 2. 9 边收缩法.18 图 2. 10 面片收缩法.19 图 2. 11 叶片边界处产生的孔洞.21 图 2. 12 叶片边界
10、孔洞填充过程.21 图 2. 13 预处理前后叶片的三角网格模型对比.22 图 3. 1 重新造型环境.29 图 3. 2 叶身型线与前后缘圆弧相切情况30 图 3. 3 叶片封闭完整的特征截面线 31 图 3. 4 截面线放样拟合的叶片自由曲面.31 图 3. 5 过渡曲面特征基本概念.32 图 3. 6 点p的一阶领域点32 图 3. 7 i v的局部坐标系33 图 3. 8 过渡曲面数据点提取算法.34 图 3. 9 叶片的特征线提取与区域划分.35 图 3. 10 叶片型面拟合线框架.36 图 3. 11 叶片型面拟合效果.37 图 3. 12 造型完成的叶片.38 图 3. 13 叶
11、片型面高斯曲率分析.38 图 3. 14 叶片型面偏差分析.39 汽车发动机叶片的逆向造型与优化设计 vi 图 3. 15 重构的风扇 CAD 模型 39 图 4. 1 汽车冷却系统结构示意图.41 图 4. 2 叶片的网格划分.43 图 4. 3 模态分析第一振型.44 图 4. 4 模态分析第二振型 .44 图 4. 5 模态分析第三振型 .44 图 4. 6 模态分析第四振型.44 图 4. 7 模态分析第五振型 .44 图 4. 8 模态分析第六振型.44 图 4. 9 优化方案中叶片的特征线提取.45 图 4. 10 优化后叶片的渲染三视图45 图 4. 11 优化叶片的网格划分.4
12、6 图 4. 12 优化前后叶片固有频率与总应力关系变化的比较 48 图 4. 13 优化前后叶片固有频率与相对总位移关系变化的比较 49 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 表清单 表 2. 1 几种数字化测量方法比较.12 表 4. 1 叶片优化前后固有频率对比46 表 4. 2 叶片优化前后最大总应力对比46 表 4. 3 叶片优化前后相对最大总位移对比47 承诺书 本人声明:所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已
13、在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 论文选题背景 市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领域。随 着科学技术的高度发展，科技成果的应用已经成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。随 着计算机网络化的发展， 信息高速公路加快了科技信息的传播速度， 产品的生命周期越来
14、越短。 人们追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多、批量越来越小。因此，产品开发速度 和制造技术的柔性成为企业之间的主要竞争。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进 民族经济高速增长的战略措施，充分利用别国的科技成果加以消化吸收与创新，进而发展自己 的技术已成为普遍的手段。据有关统计资料表明，各国 70%以上的技术都来自外国，要掌握这 些技术， 正常的途径都是通过逆向工程1, 2， 逆向工程可以使产品的开发周期缩短约 40%。 因此， 世界各国都高度重视逆向工程技术及其应用。 1.1.1 逆向工程概述 逆向工程是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它是以产品或设 备
15、的实物、软件或影像作为研究对象,应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业 知识进行系统深入地分析和研究,探索掌握其关键技术,进而开发出同类的先进产品。 逆向工程的设计过程与传统的设计过程是完全不同的。传统的正向设计过程是在市场调研 的基础上，根据功能和用途来设计产品，得到图纸或 CAD 模型，检查图纸或模型效果达到要 求后，制造实物样本，最终投入生产；逆向工程是根据零件(或原型)生成二维图纸或三维模型， 再制造成产品，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修 改，以满足后续处理的要求。二者之间的比较如图 1.1 所示。 从广义上讲，逆向工程可分以下三类3：
16、 （1）实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再创造；其中包括 功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、组件 或零部件。 （2）软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管 理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件； 只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。 （3）影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观 汽车发动机叶片的逆向造型与优化设计 2 后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。目前， 国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的 CAD，称为“实物 逆向工程”。 （a） 传统设计过程 （b） 逆向工程设计过程 图 1. 1 传统设计过程与逆向工程设计过程的对比 逆向工程将现代坐标测量设备作为产品设计的前置输入装置和产品制造后的检测手段，与 RPM、CAD/CAM 相结合形成产品设计制造的闭环系统，有
