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南京天洑软件有限公司

 

  • 产品

AIBlade —— 智能化叶片设计软件

关键词：叶轮机械 
发布时间：2021-12-02
所属领域：
概念设计/工业设计
适用行业：
机械设备制造业能源装备通用机械零部件航空航天汽车整车/零部件轨道交通其它
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AIBlade是南京天洑软件有限公司自主研发的智能化叶片设计软件。AIBlade提供了叶片设计、叶片拟合、叶型数据库、数据转换等多种叶片相关功能。主要针对叶轮机械在设计、分析以及优化过程中，遇到的各类叶片造型、叶片拟合以及各类系统间的几何数据转换、网格数据转换的相关问题，提供了一整套的解决方案。

Artificial Intelligence Blade智能叶片设计，旨在帮助用户进行快速、准确的叶片设计，同时针对已有数模进行快速的叶片拟合和相关数据转换。

图1. 1 软件模块界面

主要功能及优势


一、软件简介

1.1 软件用途简介

图1. 2 AIBlade软件功能界面


AIBlade能根据叶片设计参数以不同的叶片造型算法自动生成叶片的三维模型，提供中弧线+厚度分部的造型方法，同时软件集成了丰富的叶型数据库，可以自动的进行数据选择和叶片造型；叶片拟合功能可以针对读入的各类CAD数据，进行快速的、自动化的全参数化拟合，在叶片的改型设计中起到重要的作用。

系统平台中输出的几何数据（IGES、STEP格式）可以很好的兼容不同商业化软件中的几何数据要求。使得最终用户从繁琐、枯燥、大量的重复劳动中解放出来，把精力集中在创造性的设计思路、经验判断以及具体系统方案设计的高级工作中。
AIBlade的平台软件在叶片参数化造型模块中，可以对初始叶片进行参数化设计，造型方法采用中弧线+厚度分布的方式，造型参数有：进口几何角、前缘/尾缘相对半径、弦长、最大相对厚度、最大厚度相对位置、最大扰度相对位置等；同时叶片积叠方式可选，包括重心积叠、前缘积叠、尾缘积叠。

在叶片参数化拟合模块中，可以对叶片进行全参数化拟合，包括叶片的各截面型线（以中弧线+厚度分布的方式）、积叠线，最终可以生成叶片造型参数。提供Bezier、B样条以及NURBS等多种参数化拟合方式。
几何及网格数据转换平台可以兼容目前的通用CAD数据格式，包括Iges数据格式（支持最新的5.3版本）、Step数据格式（包括203以及214格式）。软件可以根据导入的几何数据进行自动化模型判断，分离各级叶片，根据用户多种不同的设置参数自动生成叶片截面线，最终根据自动化离散算法得到截面线上的所有离散点数据。最终可以导出AutoGrid以及TurboGrid的网格划分所需要的准备数据。在网格生成结束之后可以将网格数据转换成通用的CGNS网格数据以及CCL文件，兼容CFX软件，大大简化了用户在CFX中的操作，方便边界条件的自动设定。

1.2 竞品分析及设计效果




图1. 3 CDA叶型叶片设计效果



图1. 4 常规叶型设计效果

二、系统组成及技术方案

2.1 软件模块

AIBlade平台软件主要分为三大模块：叶片参数化造型设计模块、叶片参数化拟合模块、叶片几何及网格数据转换。

2.2 叶片参数化造型设计模块

2.2.1 技术方案

基于开源的OpenCascade几何内核，使用C++为开发语言，使用Qt作为界面开发组件，实现叶片快速参数化造型。在叶片造型模块中，以sqlite为数据库基础，搭建叶型数据库，用户可以自定义相关叶型存如数据库，可以通过相关几何参数进行叶型的快速查询。通过不同的积叠方式，配合弯角、掠角的定义最终实现叶片的快速造型。造型结果可以输出通用的IGES、STEP等几何数据格式，同时系统可以进行自动化的截面线提取，输出GeomTurbo以及Curve文件格式，便于后续的优化、分析工作。

目前提供两种方式的造型方法：导入法和设计法。

导入法可以将叶片设计参数填入指定格式的xlsx文件或Txt文件中，软件导入该文件后根据其中的参数生成三维模型。具体流程如下图所示：

图2. 1叶片造型导入流程示意

设计法又用户从中弧线开始，逐步的手动设计叶片的组成元素，最终组合成完整的设计模型。具体流程示意如下图所示：


图2. 2 叶片造型设计示意

2.2.2 模块功能

1. 软件整体框架及界面
2. 叶型数据库
3. 双圆弧、抛物线及贝塞尔曲线的中弧线创建方法
4. 中弧线创建算法拓展
5. 厚度线分布数据库，可以获取数据和编辑数据
6. 从厚度线分布数据库中获取数据进行厚度分布线的创建
7. 利用中弧线和厚度分布线进行叶型自动造型
8. 利用造型参数进行叶片自动造型（进口几何角、前缘/尾缘相对半径、弦长、最大相对厚度、最大厚度位置、最大扰度相对位置）
9. 叶片积叠位置可选，包括重心积叠、前缘积叠、尾缘积叠
10. 叶片积叠线可自定义，包括直线、贝塞尔曲线
11. 叶片自动化造型结果输出IGES、STEP数据格式
12. 提供叶片参数化造型相关说明文档和使用教程

2.2.3 界面展示

图2. 3 叶片设计界面

左侧树表示叶片的拓扑关系，中间窗口显示叶片形状曲线，右侧属性表可以编辑叶片参数。

图2. 4 中弧线导入

在左侧树的叶片截面结点可右键调出导入中弧线界面。支持双圆弧、抛物线、贝塞尔曲线的中弧线导入及初始设计参数的设定。

图2. 5 中弧线设计

图中为贝塞尔曲线的中弧线设计，可以在图中拖动控制点来改变曲线形状，右侧属性表参数会同步变换。也支持在右侧属性表中改变中弧线类型。

图2. 6 建立厚度分布

厚度分布导入支持用已有的厚度分布规律（如A50，NACA等）来建立厚度分布，也支持以贝塞尔曲线的方式来造型厚度分布。

图2. 7 厚度分布设计界面


图2. 8 导入积叠

积叠包括弯、掠两个方向的积叠，可以设定积叠点和积叠规律曲线。

图2. 9 积叠设计界面

积叠设计界面支持改变积叠曲线形状（贝塞尔曲线积叠）、改变弯掠角（直线积叠）、改变积叠位置等操作。

图2. 10 叶型数据库界面

2.3 叶片参数化拟合模块

2.3.1 技术方案

基于开源的OpenCascade几何内核，使用C++为开发语言，使用QT作为界面开发组件，实现叶片参数化拟合功能。该模块可以导入GeomTurbo以及Curve文件自动生成对应的几何实体模型。分别对各个截面的截面线进行拟合处理。通过内切圆的方式，通过精度控制找到各个叶型的中弧线及前、后缘点。再分别通过BSpline、Bezier曲线对中弧线进行插值拟合，得出各个截面的具体参数。然后将所有参数存入叶片造型中可用的Excel表格数据，便于后续的叶片造型及拟合精度比较。具体流程如下图所示：






2.3.2 模块功能

1. 支持导入通用几何数据文件（STEP格式和IGES格式）
2. 进行叶片的截面线的获取
3. 对截面线进行中弧线的拟合计算，以及厚度分布曲线的拟合计算
4. 以重心积叠、前缘积叠、尾缘积叠的不同模式进行积叠线的拟合
5. 提供Bezier、B样条以及NURBS等多种参数化拟合方式
6. 输出叶片拟合参数文件，文件数据格式与叶片造型设计时输入格式一致
7. 支持将离散点的叶型数据快速生成叶片几何模型，提供AutoGrid几何数据的导入功能，一键导入自动生成几何模型
8. 叶片参数化拟合相关说明文档和使用教程

2.3.3 界面展示

图2. 11 厚度分布拟合

厚度分布拟合界面，提供多项式、贝塞尔曲线、三次样条的方式进行厚度分布拟合。可以控制吸力线、压力线、前尾缘的形状和显示隐藏等熟悉。厚度分布拟合完成后，可自动计算中弧线，得中弧线以后，可根据厚度分布规律重设厚度分布。

图2. 12 积叠拟合界面


提供积叠点和弯掠积叠线的拟合与设定。

图2. 13 叶片参数拟合

提动叶片参数的拟合与设定，参数包括叶片数、轴向偏移、旋向、进口导叶、安装角等叶片相关设计参数。

2.4 叶片几何及网格数据转换

2.4.1 技术方案

基于UG NX9平台，使用C++为开发语言，提供几何数据转换功能，分别可以进行hub/shroud线上的离散点提取、叶片各截面的离散点提取。通过创建临时的平面和流面，和选取的叶片进行求交处理，得出各截面曲线。根据输出格式的不同，对截面曲线进行离散点生成和坐标数值控制，满足不同数据类型的输出要求。同时支持加工坐标生成功能。

网格生成功能，主要完成将AutoGrid输出的网格、边界等数据自动转换到CFX系统中完成网格数据、边界数据及各类网格拓扑数据的自动转换。使用CFX中集成的Perl为开发语言，完成一系列自动转换功能，具体结果如下图所示：
图2. 14 网格数据转换

2.4.2 模块功能

1. 指定叶片输出的叶型截面数和各个叶型截面输出的数据点数
2. 实现具有单列叶片和多列叶片等叶片几何数据转换
3. 具有对子午流道提取功能，提供线段、B样条方式
4. 完成AutoGrid生成网格数据文件的解析，包括网格文件解析、边界条件解析、几何文件解析、网格拓扑文件解析
5. 整理信息（网格数据/边界条件数据/拓扑数据/分块数据）统一到新的CGNS网格数据文件中，自动生成包含所有数据的CGNS文件
6. 自动生成CCL文件，进一步简化用户在CFX中的操作，方便边界条件的自动设定
7. 提供几何、网格数据转换相关说明文档和使用教程
8. 提供丰富的叶型数据库

2.4.3 界面展示

图2. 15 几何数据转换界面

三、主要性能指标

3.1 叶片参数化造型设计模块指标

1. 对初始叶片进行参数化设计，造型方法采用中弧线+厚度分布的方式，造型参数有：进口几何角、前缘/尾缘相对半径、弦长、最大相对厚度、最大厚度相对位置、最大扰度相对位置等。
2. 中弧线形状包括圆弧（单段或多段）、抛物线、任意多项式曲线等
3. 厚度分布允许选用采用数据库叶型，也允许自己其他曲线自行造型
4. 叶片积叠方式可选，包括重心积叠、前缘积叠、尾缘积叠
5. 具有完善的叶型数据库编辑及维护功能，允许对数据库添加模板叶型。
6. 初始叶型设计既可在平面上进行，也可以在流面上进行
7. 叶片造型数据输入以Excel表格形式或者txt文档输入（包括叶片造型数据、叶片轴向位置数据、叶片数等）
8. 所有生成的叶片最好能放到一个*.prt文件
9. 最终提供叶片参数化造型设计使用教程。
10. 丰富、可扩展的软件界面，完善的菜单功能，右侧工具条菜单功能参考BladeGen最右侧工具条；
11. 支持多级B2B的显示功能；
12. 支持CDA叶型的弯扭叶片设计；
13. 针对常规叶型保证前缘、尾缘衔接处的光顺过渡不能有凹陷的情况；
14. 支持GeomTurbo文件丰富的导出功能，支持是否独立输出子午流道、控制各截面叶型点数等功能；
15. 支持丰富的hub、shroud的数据格式；
16. 支持CDA叶型最大扰度计算的功能以及最大扰度位置的计算；
17. 支持先进叶型添加四段圆弧叶型以及自定义厚度支持；
18. 优化全周叶片显示功能的速度问题；
19. 参考俄方文件对常规叶片造型进行优化改进；
20. 支持最终的自动生成报告功能，后处理图要相对美观
21. 支持生成坐标的输出功能；
22. 提供丰富的帮助文档和实例教程；
23. 保证软件的稳定性和兼容性

3.2 叶片参数化拟合模块

1. 对叶片进行全参数化拟合，包括叶片的各截面型线（以中弧线+厚度分布的方式）、积叠线，并生成叶片造型参数。
2. 提供Bezier、B样条以及NURBS等多种参数化拟合方式
3. 具备输出叶片拟合参数文件，文件数据格式与叶片造型设计时输入格式一致。
4. 支持将离散点的叶型数据在UG中快速生成叶片几何模型，提供AutoGrid（*.geomturbo）几何数据的导入功能，一键导入自动生成UG几何模型。
5. 最终提供叶片参数化拟合使用教程。

3.3 叶片几何及网格数据转换模块

1. 能指定叶片输出的叶型截面数和各个叶型截面输出的数据点数
2. 截面数据提取可以按流面或者平面方式进行，可以快速实现叶片加工坐标生成
3. 可以实现具有单列叶片和多列叶片等叶片几何数据转换
4. 可以实现叶片几何（*.prt等）转换成AutoGrid以及TurboGrid格式
5. 具有对子午流道提取功能，提供线段、B样条方式。
6. 自动完成AutoGrid生成网格数据文件的解析。
7. 自动整理AutoGrid所有数据文件，将所有信息统一到新的CGNS网格数据文件中，自动生成包含所有数据的CGNS文件，可顺利导入到CFX中。
8. 最终提供几何、网格数据转换使用教程。
9. 针对数据转换，给定根顶截面，中间截面只通过截面数给出，对给定的截面有预显示功能，方便重新定义根顶截面位置；
10. 在转换过程中，支持不给定hub/shroud也能输出叶片GeomTurbo文件，以及不给定叶片几何，只对hub/shroud进行离散功能；
11. 支持叶片的轴向和叶高方向为人工设定，不需要程序自动判断；
12. UG插件中支持导入文件后缀名的多种方式，支持两种后缀名；
13. 对输出模型的单位可以进行设定，默认用mm，用户可以自行输入需要缩放的数值；
14. 针对输出模型的单位，如果是m取11位小数点，如果是mm取8为小数点；
15. 针对生产坐标的提取，考虑叶片由两条型线和单条型线组成的方案，可以参考0.12cmax/b这样的方式对前缘进行预判；
16. 针对生产坐标的提取，尽量保证压力面和吸力面数据点一致；
17. 保证软件的稳定性和兼容性
18. 使用用户提供的最新测试数据，进行网格数据转换的软件更新；
19. 实现CFX软件自动计算压气机特性功能，尽量满足自动记录某些检测数据；
20. 提供丰富的后处理功能插件
 
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