AIBlade —— 智能化葉片設計軟件

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AIBlade是南京天洑軟件有限公司自主研發的智能化葉片設計軟件。AIBlade提供了葉片設計、葉片擬合、葉型數據庫、數據轉換等多種葉片相關功能。主要針對葉輪機械在設計、分析以及優化過程中,遇到的各類葉片造型、葉片擬合以及各類系統間的幾何數據轉換、網格數據轉換的相關問題,提供了一整套的解決方案。

Artificial Intelligence Blade智能葉片設計,旨在幫助用戶進行快速、準確的葉片設計,同時針對已有數模進行快速的葉片擬合和相關數據轉換。



圖1. 1 軟件模塊界面



6367366249803765609748431.jpg 主要功能及優勢


一、軟件簡介

1.1 軟件用途簡介



圖1. 2 AIBlade軟件功能界面


AIBlade能根據葉片設計參數以不同的葉片造型算法自動生成葉片的三維模型,提供中弧線+厚度分部的造型方法,同時軟件集成了豐富的葉型數據庫,可以自動的進行數據選擇和葉片造型;葉片擬合功能可以針對讀入的各類CAD數據,進行快速的、自動化的全參數化擬合,在葉片的改型設計中起到重要的作用。

系統平臺中輸出的幾何數據(IGES、STEP格式)可以很好的兼容不同商業化軟件中的幾何數據要求。使得最終用戶從繁瑣、枯燥、大量的重復勞動中解放出來,把精力集中在創造性的設計思路、經驗判斷以及具體系統方案設計的高級工作中。

AIBlade的平臺軟件在葉片參數化造型模塊中,可以對初始葉片進行參數化設計,造型方法采用中弧線+厚度分布的方式,造型參數有:進口幾何角、前緣/尾緣相對半徑、弦長、最大相對厚度、最大厚度相對位置、最大擾度相對位置等;同時葉片積疊方式可選,包括重心積疊、前緣積疊、尾緣積疊。

在葉片參數化擬合模塊中,可以對葉片進行全參數化擬合,包括葉片的各截面型線(以中弧線+厚度分布的方式)、積疊線,最終可以生成葉片造型參數。提供Bezier、B樣條以及NURBS等多種參數化擬合方式。

幾何及網格數據轉換平臺可以兼容目前的通用CAD數據格式,包括Iges數據格式(支持最新的5.3版本)、Step數據格式(包括203以及214格式)。軟件可以根據導入的幾何數據進行自動化模型判斷,分離各級葉片,根據用戶多種不同的設置參數自動生成葉片截面線,最終根據自動化離散算法得到截面線上的所有離散點數據。最終可以導出AutoGrid以及TurboGrid的網格劃分所需要的準備數據。在網格生成結束之后可以將網格數據轉換成通用的CGNS網格數據以及CCL文件,兼容CFX軟件,大大簡化了用戶在CFX中的操作,方便邊界條件的自動設定。


1.2 競品分析及設計效果




圖1. 3 CDA葉型葉片設計效果


圖1. 4 常規葉型設計效果


二、系統組成及技術方案

2.1 軟件模塊

AIBlade平臺軟件主要分為三大模塊:葉片參數化造型設計模塊、葉片參數化擬合模塊、葉片幾何及網格數據轉換。


2.2 葉片參數化造型設計模塊
2.2.1 技術方案


基于開源的OpenCascade幾何內核,使用C++為開發語言,使用Qt作為界面開發組件,實現葉片快速參數化造型。在葉片造型模塊中,以sqlite為數據庫基礎,搭建葉型數據庫,用戶可以自定義相關葉型存如數據庫,可以通過相關幾何參數進行葉型的快速查詢。通過不同的積疊方式,配合彎角、掠角的定義最終實現葉片的快速造型。造型結果可以輸出通用的IGES、STEP等幾何數據格式,同時系統可以進行自動化的截面線提取,輸出GeomTurbo以及Curve文件格式,便于后續的優化、分析工作。

目前提供兩種方式的造型方法:導入法和設計法。

導入法可以將葉片設計參數填入指定格式的xlsx文件或Txt文件中,軟件導入該文件后根據其中的參數生成三維模型。具體流程如下圖所示:



圖2. 1葉片造型導入流程示意


設計法又用戶從中弧線開始,逐步的手動設計葉片的組成元素,最終組合成完整的設計模型。具體流程示意如下圖所示:


圖2. 2 葉片造型設計示意


2.2.2 模塊功能


1. 軟件整體框架及界面
2. 葉型數據庫
3. 雙圓弧、拋物線及貝塞爾曲線的中弧線創建方法
4. 中弧線創建算法拓展
5. 厚度線分布數據庫,可以獲取數據和編輯數據
6. 從厚度線分布數據庫中獲取數據進行厚度分布線的創建
7. 利用中弧線和厚度分布線進行葉型自動造型
8. 利用造型參數進行葉片自動造型(進口幾何角、前緣/尾緣相對半徑、弦長、最大相對厚度、最大厚度位置、最大擾度相對位置)
9. 葉片積疊位置可選,包括重心積疊、前緣積疊、尾緣積疊
10. 葉片積疊線可自定義,包括直線、貝塞爾曲線
11. 葉片自動化造型結果輸出IGES、STEP數據格式
12. 提供葉片參數化造型相關說明文檔和使用教程



2.2.3 界面展示



圖2. 3 葉片設計界面


左側樹表示葉片的拓撲關系,中間窗口顯示葉片形狀曲線,右側屬性表可以編輯葉片參數。


圖2. 4 中弧線導入


在左側樹的葉片截面結點可右鍵調出導入中弧線界面。支持雙圓弧、拋物線、貝塞爾曲線的中弧線導入及初始設計參數的設定。


圖2. 5 中弧線設計


圖中為貝塞爾曲線的中弧線設計,可以在圖中拖動控制點來改變曲線形狀,右側屬性表參數會同步變換。也支持在右側屬性表中改變中弧線類型。


圖2. 6 建立厚度分布


厚度分布導入支持用已有的厚度分布規律(如A50,NACA等)來建立厚度分布,也支持以貝塞爾曲線的方式來造型厚度分布。


圖2. 7 厚度分布設計界面


圖2. 8 導入積疊


積疊包括彎、掠兩個方向的積疊,可以設定積疊點和積疊規律曲線。


圖2. 9 積疊設計界面


積疊設計界面支持改變積疊曲線形狀(貝塞爾曲線積疊)、改變彎掠角(直線積疊)、改變積疊位置等操作。


圖2. 10 葉型數據庫界面


2.3 葉片參數化擬合模塊
2.3.1 技術方案

基于開源的OpenCascade幾何內核,使用C++為開發語言,使用QT作為界面開發組件,實現葉片參數化擬合功能。該模塊可以導入GeomTurbo以及Curve文件自動生成對應的幾何實體模型。分別對各個截面的截面線進行擬合處理。通過內切圓的方式,通過精度控制找到各個葉型的中弧線及前、后緣點。再分別通過BSpline、Bezier曲線對中弧線進行插值擬合,得出各個截面的具體參數。然后將所有參數存入葉片造型中可用的Excel表格數據,便于后續的葉片造型及擬合精度比較。具體流程如下圖所示:



2.3.2 模塊功能

1. 支持導入通用幾何數據文件(STEP格式和IGES格式)
2. 進行葉片的截面線的獲取
3. 對截面線進行中弧線的擬合計算,以及厚度分布曲線的擬合計算
4. 以重心積疊、前緣積疊、尾緣積疊的不同模式進行積疊線的擬合
5. 提供Bezier、B樣條以及NURBS等多種參數化擬合方式
6. 輸出葉片擬合參數文件,文件數據格式與葉片造型設計時輸入格式一致
7. 支持將離散點的葉型數據快速生成葉片幾何模型,提供AutoGrid幾何數據的導入功能,一鍵導入自動生成幾何模型
8. 葉片參數化擬合相關說明文檔和使用教程


2.3.3 界面展示


圖2. 11 厚度分布擬合


厚度分布擬合界面,提供多項式、貝塞爾曲線、三次樣條的方式進行厚度分布擬合??梢钥刂莆€、壓力線、前尾緣的形狀和顯示隱藏等熟悉。厚度分布擬合完成后,可自動計算中弧線,得中弧線以后,可根據厚度分布規律重設厚度分布。



圖2. 12 積疊擬合界面


提供積疊點和彎掠積疊線的擬合與設定。


圖2. 13 葉片參數擬合


提動葉片參數的擬合與設定,參數包括葉片數、軸向偏移、旋向、進口導葉、安裝角等葉片相關設計參數。


2.4 葉片幾何及網格數據轉換
2.4.1 技術方案

基于UG NX9平臺,使用C++為開發語言,提供幾何數據轉換功能,分別可以進行hub/shroud線上的離散點提取、葉片各截面的離散點提取。通過創建臨時的平面和流面,和選取的葉片進行求交處理,得出各截面曲線。根據輸出格式的不同,對截面曲線進行離散點生成和坐標數值控制,滿足不同數據類型的輸出要求。同時支持加工坐標生成功能。

網格生成功能,主要完成將AutoGrid輸出的網格、邊界等數據自動轉換到CFX系統中完成網格數據、邊界數據及各類網格拓撲數據的自動轉換。使用CFX中集成的Perl為開發語言,完成一系列自動轉換功能,具體結果如下圖所示:



圖2. 14 網格數據轉換


2.4.2 模塊功能


1. 指定葉片輸出的葉型截面數和各個葉型截面輸出的數據點數
2. 實現具有單列葉片和多列葉片等葉片幾何數據轉換
3. 具有對子午流道提取功能,提供線段、B樣條方式
4. 完成AutoGrid生成網格數據文件的解析,包括網格文件解析、邊界條件解析、幾何文件解析、網格拓撲文件解析
5. 整理信息(網格數據/邊界條件數據/拓撲數據/分塊數據)統一到新的CGNS網格數據文件中,自動生成包含所有數據的CGNS文件
6. 自動生成CCL文件,進一步簡化用戶在CFX中的操作,方便邊界條件的自動設定
7. 提供幾何、網格數據轉換相關說明文檔和使用教程
8. 提供豐富的葉型數據庫


2.4.3 界面展



圖2. 15 幾何數據轉換界面


三、主要性能指標

3.1 葉片參數化造型設計模塊指標

1. 對初始葉片進行參數化設計,造型方法采用中弧線+厚度分布的方式,造型參數有:進口幾何角、前緣/尾緣相對半徑、弦長、最大相對厚度、最大厚度相對位置、最大擾度相對位置等。
2. 中弧線形狀包括圓?。▎味位蚨喽危?、拋物線、任意多項式曲線等
3. 厚度分布允許選用采用數據庫葉型,也允許自己其他曲線自行造型
4. 葉片積疊方式可選,包括重心積疊、前緣積疊、尾緣積疊
5. 具有完善的葉型數據庫編輯及維護功能,允許對數據庫添加模板葉型。
6. 初始葉型設計既可在平面上進行,也可以在流面上進行
7. 葉片造型數據輸入以Excel表格形式或者txt文檔輸入(包括葉片造型數據、葉片軸向位置數據、葉片數等)
8. 所有生成的葉片最好能放到一個*.prt文件
9. 最終提供葉片參數化造型設計使用教程。
10. 豐富、可擴展的軟件界面,完善的菜單功能,右側工具條菜單功能參考BladeGen最右側工具條;
11. 支持多級B2B的顯示功能;
12. 支持CDA葉型的彎扭葉片設計;
13. 針對常規葉型保證前緣、尾緣銜接處的光順過渡不能有凹陷的情況;
14. 支持GeomTurbo文件豐富的導出功能,支持是否獨立輸出子午流道、控制各截面葉型點數等功能;
15. 支持豐富的hub、shroud的數據格式;
16. 支持CDA葉型最大擾度計算的功能以及最大擾度位置的計算;
17. 支持先進葉型添加四段圓弧葉型以及自定義厚度支持;
18. 優化全周葉片顯示功能的速度問題;
19. 參考俄方文件對常規葉片造型進行優化改進;
20. 支持最終的自動生成報告功能,后處理圖要相對美觀
21. 支持生成坐標的輸出功能;
22. 提供豐富的幫助文檔和實例教程;
23. 保證軟件的穩定性和兼容性


3.2 葉片參數化擬合模塊

1. 對葉片進行全參數化擬合,包括葉片的各截面型線(以中弧線+厚度分布的方式)、積疊線,并生成葉片造型參數。
2. 提供Bezier、B樣條以及NURBS等多種參數化擬合方式
3. 具備輸出葉片擬合參數文件,文件數據格式與葉片造型設計時輸入格式一致。
4. 支持將離散點的葉型數據在UG中快速生成葉片幾何模型,提供AutoGrid(*.geomturbo)幾何數據的導入功能,一鍵導入自動生成UG幾何模型。
5. 最終提供葉片參數化擬合使用教程。


3.3 葉片幾何及網格數據轉換模塊

1. 能指定葉片輸出的葉型截面數和各個葉型截面輸出的數據點數
2. 截面數據提取可以按流面或者平面方式進行,可以快速實現葉片加工坐標生成
3. 可以實現具有單列葉片和多列葉片等葉片幾何數據轉換
4. 可以實現葉片幾何(*.prt等)轉換成AutoGrid以及TurboGrid格式
5. 具有對子午流道提取功能,提供線段、B樣條方式。
6. 自動完成AutoGrid生成網格數據文件的解析。
7. 自動整理AutoGrid所有數據文件,將所有信息統一到新的CGNS網格數據文件中,自動生成包含所有數據的CGNS文件,可順利導入到CFX中。
8. 最終提供幾何、網格數據轉換使用教程。
9. 針對數據轉換,給定根頂截面,中間截面只通過截面數給出,對給定的截面有預顯示功能,方便重新定義根頂截面位置;
10. 在轉換過程中,支持不給定hub/shroud也能輸出葉片GeomTurbo文件,以及不給定葉片幾何,只對hub/shroud進行離散功能;
11. 支持葉片的軸向和葉高方向為人工設定,不需要程序自動判斷;
12. UG插件中支持導入文件后綴名的多種方式,支持兩種后綴名;
13. 對輸出模型的單位可以進行設定,默認用mm,用戶可以自行輸入需要縮放的數值;
14. 針對輸出模型的單位,如果是m取11位小數點,如果是mm取8為小數點;
15. 針對生產坐標的提取,考慮葉片由兩條型線和單條型線組成的方案,可以參考0.12cmax/b這樣的方式對前緣進行預判;
16. 針對生產坐標的提取,盡量保證壓力面和吸力面數據點一致;
17. 保證軟件的穩定性和兼容性
18. 使用用戶提供的最新測試數據,進行網格數據轉換的軟件更新;
19. 實現CFX軟件自動計算壓氣機特性功能,盡量滿足自動記錄某些檢測數據;
20. 提供豐富的后處理功能插件

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