基于逆向工程的三元叶轮实体建模及创新设计

项目编号：大庆石油学院国家大学生创新性实验计划项目申请表项目名称：基于逆向工程的三元叶轮实体建模及创新设计申请人：程少高专业班级：过程装备与控制工程07级2班指导教师：张颖戴光大庆石油学院教务处2009年10月22日项目简况项目名称基于逆向工程的三元叶轮实体建模及创新设计申请资助经费20000元项目起止时间2009年11月至2011年11月项目申请人姓名程少高性别男身份证号232326198902051538学号070403140220专业班级过程装备07-2班联系电话[e-mail]申请人曾参与科研情况2008年，作为组长，参加大庆石油学院结构设计大赛。由于是第一次参加这样的项目，经验不足，以及准备不够充分，所以所在小组没能获奖。但是从中我们学到了很多，学会了相互间的协作，学会了独自的思考，并在实践中运用自己所学的知识，真正的将理论与实践结合。指导教师姓名职务/职称联系电话E-mail张颖副教授[e-mail]戴光系主任/教授[e-mail]指导教师对本项目的支持情况1.指导教师长期从事相关领域的教学和科研工作；2.指导教师定期对该项目的研究工作进行指导和检查；3.指导教师将提供项目研究所需的场地及其它支持；4.指导教师将提供一定的经费支持。项目组成员姓名学号专业班级联系电话E-mail项目分工董恒070403140221装备[e-mail]三元叶轮流场数值模拟于婷婷070403140202装备[e-mail]三元叶轮虚拟设计孙艳明070403140125装备[e-mail]三元叶轮有限元分析一、申请理由装备制造业是任何一个发达工业体系的中枢，在经济成长和新型工业化过程中发挥着极为重要的作用，因而加快装备制造业的发展对于中国经济的健康运行具有重要的意义。石化产业作为国民经济的支柱产业，在国民经济的发展和国家安全中占有重要地位，随着石化产业的快速发展，我国石化装备制造业保持着高速发展的势头。经过几十年的发展，尤其是近10年的发展，我国石化装置制造产业的规模、技术水平、研发能力和国际市场竞争能力都明显提高。我国已经成为装备制造业大国，但仍存在产业大而不强，产品研发和技术创新能力薄弱以及重引进而不注重消化创新等问题，尤其在大型离心压缩机组、大型容积式压缩机组、关键泵阀、反应热交换器、挤压造粒机、大型空分设备、低温泵等关键设备、关键部件和关键技术的国产化和自主创新方面尚存在一定的差距。因此，如何尽快提高研发和技术创新能力，实现关键设备和关键技术的国产化、自主化和创新化，是石化装备制造业能否从大到强，实现结构优化升级的关键。逆向工程(ReverseEngineering，RE)，又称为反求工程。在机械产品设计领域，逆向工程就是通过各种手段对产品实物进行三维测量，根据测量数据制造出同类新产品的过程。与传统的产品开发过程不同，逆向工程则是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，以“实物-原理-功能-三维重构-再设计”框架模型为工作过程，为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行再创新工程服务。逆向工程是随着科技发展、产品设计的需要而产生的一项多学科交叉的实用技术，涉及实物测量、计算机图形学、图像学、先进制造技术等多个领域。在国外，相关领域的高水平起点及不断前进使逆向工程获得迅速发展，现已成为现代先进设计制造技术的重要组成部分。因此，对引进的关键设备开展“逆向工程”技术研究，通过消化、吸收和创新，可迅速、有效地解决目前石化装备制造业发展过程中的技术问题，为加快石化装备制造业关键设备的国产化步伐提供技术保障。三元叶轮是大型离心压缩机中完成能量转换的核心部件，对离心压缩机工作性能及机械效率影响大。三元叶轮结构复杂，气固耦合问题解决困难，因此其设计、研制周期长，加工和制造工作量大。对于闭式叶轮而言，叶轮由轮盖，叶片轮盘组成，其中最为复杂的是叶片的设计和造型，因为叶片是空间内的扭曲曲面体。因此，三元叶轮的三维实体设计是叶轮强度有限元分析、流体动力学性能分析及实现数字化设计与制造的关键，也是大型离心压缩机实现国产化的关键技术难题。针对上述问题，本项目以三元叶轮为研究对象，采用逆向工程技术，结合UG虚拟设计软件的逆向反求功能，获取三元叶轮的三维实体模型。在此基础上，采用ansys有限元分析软件对其强度进行分析，采用fluent计算流体力学仿真软件分析三元叶轮内部流场流动特性，对三元叶轮结构参数进行优化设计，实现基于逆向工程的三元叶轮创新设计。二、项目实施方案及实施计划（一）项目实施方案本项目以实现大型石化装备核心部件国产化为目标，提出采用逆向工程技术，结合现代CAD虚拟设计方法和数值分析与计算方法，以大型离心压缩机核心部件—三元叶轮为研究对象，开展基于逆向工程的三元叶轮实体建模及创新虚拟设计研究。项目的研究路线如图1所示。具体实施方案如下：1.三元叶轮实物三维轮廓数字化逆向测量：采用逆向工程设计专用非接触三维数字化激光扫描装置，对三元叶轮实物样件进行测量，获取三元叶轮轮廓三维测量数据；在测量过程中应重点完成对叶片扭曲曲面的测量工作，以保证其外形特征，防止产生由于测量数据不完整带来的拟合曲线缺陷。2.三元叶轮三维轮廓测量数据处理与重构：三维轮廓测量数据处理是逆向工程建模中的关键环节之一，其结果将直接影响后期曲线拟合、曲面及模型重构的质量。由于测得的点云中存在明显的误差点，为了减小运算量，需要对点云进行必要的处理，进而获得满意的数据，为曲线拟合、实体曲面重构做好准备。拟采用模糊数学形态学图像识别处理技术，对测量得到的点云数据进行处理。由于三元叶轮实体是分块、分次测量，故所得数据的局部坐标系和组织是不同的，将这些不同的数据集转化为统一的数据形式，并构成整个待测件表面的完整信息，就需要进行数据点云对齐和数据融合处理，即多视点云拼接，以实现三元叶轮三维测量数据的重构。拟采用基于图形的对齐方法来实现三元叶轮实体数据点云拼接。即利用三元叶轮实体的几何特征（点、线、面等）进行对齐，先进行局部造型，进而拼接成实体几何模型，构成三元叶轮表面完整信息，实现叶轮实体点云拼接与重构。3.基于UG虚拟设计软件的三元叶轮实体建模：综合应用Imageware和UGNX虚拟设计软件，根据逆向测量、处理与重构的三元叶轮点云数据，建立三元叶轮实体模型。采用Imageware软件来做逆向处理，处理数据的流程遵循“点——曲线——曲面”的原则，先后完成点云数据处理、、特征线的提取和特征线的分析。完成上述工作后，把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UGNX中，并且要保证坐标系的一致性。对调入的曲线进行分析，并对曲线进行光顺处理，并对曲线进行重构和编辑。使用UGNX的特征造型和曲面造型功能，最终完成三元叶轮三维实体模型的构建，获得三元叶轮的关键结构设计参数，实现对三元叶轮先进设计技术的消化吸收。三维数字化测量三维虚拟数字模型建立叶轮强度有限元分析数据处理重构三元叶轮创新设计叶轮流场数值模拟叶轮参数优化设计三元叶轮产品样件图1项目研究技术路线4.基于数字化实体模型的三元叶轮有限元强度分析：有限元(FEM)技术是计算机辅助工程领域应用最为活跃的一种现代计算方法，它能够有效地预测、模拟产品工作过程中的受力、变形、缺陷等产生的情况，当前已成为产品的优化设计、创新设计最重要的工具和手段。大型离心压缩机用三元叶轮结构复杂，在工作过程中承受着多种载荷的作用，其中叶片是薄弱环节。只有对叶轮进行真实的三维有限元模拟才能得到叶轮的真实应力分布，进而掌握三元叶轮设计的关键技术，并分析其中存在的问题，对影响叶轮强度的参数进行优化，实现对三元叶轮设计技术的吸收与创新。以有限元分析软件ANSYS为工作平台，利用基于逆向工程技术建立的三元叶轮三维实体模型，对其进行有限元数值分析，获得工作状态下叶片应力分布，确定危险截面。为基于逆向工程的三元叶轮创新设计提供有限元分析的支持。5.基于数字化实体模型的三元叶轮流动特性数值模拟分析：离心压缩机在工作时，三元叶轮作高速的旋转运动，气体在叶轮流道内作复杂的三维流动。采用Fluent计算流体力学模拟仿真软件，可以计算气体在三元叶轮内的流场分布，可以全面了解三元叶轮流场特性规律，掌握三元叶轮设计的核心技术。同时分析叶片倾角和叶片数目等三元叶轮几何参数对气体流动性能的影响，为基于逆向工程的三元叶轮创新设计提供流场特性分析数据。6.基于参数优化的三元叶轮虚拟创新设计：综合考虑三元叶轮有限元分析结果和流场数值模拟结果，对其主要结构参数进行优化设计，降低其最大工作应力，提高叶片的刚度；降低三元叶轮流道流动阻力，提高叶轮的工作效率，从而实现基于逆向工程的三元叶轮虚拟创新设计。（二）项目实施计划2009年11月-2009年12月：继续查阅文献，完善研究方案；设计与项目开题；2010年1月-2010年4月：三元叶轮逆向三维数据测量；2010年5月-2010年8月：三元叶轮逆向测量数据处理及重构；2010年9月-2010年12月：基于逆向测量数据的三元叶轮三维实体模型的建立；2011年1月-2011年5月：基于三维实体模型的三元叶轮强度有限元分析及流动特性数值模拟；2011年6月-2011年8月：基于数值模拟结果的三元叶轮结构参数优化设计及三元叶轮虚拟创新设计；2011年9月-2011年10月：撰写结题报告，并与研究成果一同提交主管部门。三、预期成果项目研究的预期成果包括：（1）建立三元叶轮扭曲叶片复杂曲面的逆向三维测量方法；（2）建立三元叶轮基于逆向三维测量数据的三维实体模型；（3）建立基于三维实体模型的三元叶轮强度有限元分析及参数优化方法；（4）建立基于三维实体模型的三元叶轮流场数值模拟及参数优化方法；（5）建立基于逆向工程技术的三元叶轮虚拟创新设计方法；（6）建立基于参数优化虚拟创新设计的新型三元叶轮实体模型；（7）公开发表研究论文1-2篇；（8）提交研究报告。四、本项目的创新之处1.本项目将逆向工程理论、三维虚拟设计技术和现代有限元数值模拟分析方法相结合，实现三元叶轮逆向工程创新设计，为加快大型石化装备关键部件国产化进程探索一种新方法。2.提出基于模糊形态学的复杂扭曲曲面的三维逆向测量数据处理及去噪方法；3.根据非均匀有理B样条（NURBS）曲面拟合方法，建立三元叶轮实体模型构建方法；4.提出将有限元计算技术与逆向工程相结合，实现基于逆向工程的三元叶轮虚拟创新优化设计。五、项目经费预算本项目共需研究经费20000元整，主要用于以下支出：1.材料费，6000元，用于三元叶轮的租用，计算机硬件升级；2.测试费，10000元，用于三维逆向激光测量系统的租用及测试；3.论文版面费，2000元，用于发表研究论文；4.图书资料费，2000元，用于购买图书及资料复印、装订等。指导教师意见：“基于逆向工程的三元叶轮实体建模及创新设计”项目，以大型石化装备关键部件国产化技术研究为背景，以大型离心压缩机核心部件—三元叶轮为研究对象，提出采用逆向工程技术，结合现代CAD设计技术、有限元分析技术和计算流体力学数值模拟技术，建立基于逆向工程的三元叶轮实体模型，开展基于三元叶轮实体模型的有限元强度分析和流场数值模拟，对三元叶轮结构参数进行优化，实现基于逆向工程的三元叶轮创新设计。项目选题新颖，与我国石化装备制造业联系密切。研究路线合理，具有一定的研究基础，可行性较强。项目负责人具有较强的创新意识，参加过相关的科研工作。同意申报国家大学生创新实验项目。签字：年月日申请者所在学院意见：签字（公章）：年月日大学生创新工作指导委员会意见：负责人签字：年月日