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AIBlade —— 智能化叶片设计软件

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AIBlade是南京芬兰超级联赛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。


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图1. 1 软件模块界面



芬兰超级联赛 主要功能及優勢


一、軟件簡介

1.1 软件用途简介


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图1. 2 AIBlade软件功能界面


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。

系統平台中輸出的幾何數據(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、大量的重複勞動中解放出來,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的平台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台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准備數據。在網格生成結束之後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 竞品分析及设计效果

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图1. 3 CDA叶型叶片设计效果


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图1. 4 常规叶型设计效果


二、系統組成及技術方案

2.1 软件模块

AIBlade平台軟件主要分爲三大模塊: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 叶片参数化造型设计模块
2.2.1 技术方案


基于開源的OpenCascade幾何內核,使用C++爲開發語言,使用Qt作爲界面開發組件,實現葉片快速參數化造型。在葉片造型模塊中,以sqlite爲數據庫基礎,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,便于後續的優化、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,軟件導入該文件後根據其中的參數生成三維模型。具體流程如下圖所示:


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图2. 1叶片造型导入流程示意


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:


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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


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图2. 3 叶片设计界面


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。


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图2. 4 中弧线导入


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、抛物線、貝塞爾曲線的中弧線導入及初始設計參數的設定。


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图2. 5 中弧线设计


圖中爲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。


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图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。


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图2. 7 厚度分布设计界面


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图2. 8 导入积叠


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。


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图2. 9 积叠设计界面


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。


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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

基于開源的OpenCascade幾何內核,使用C++爲開發語言,使用QT作爲界面開發組件,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、後緣點。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。然後將所有參數存入葉片造型中可用的Excel表格數據,便于後續的葉片造型及擬合精度比較。具體流程如下圖所示:


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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


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图2. 11 厚度分布拟合


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。可以控制吸力線、壓力線、前尾緣的形狀和顯示隱藏等熟悉。厚度分布擬合完成後,可自動計算中弧線,得中弧線以後,可根據厚度分布規律重設厚度分布。


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图2. 12 积叠拟合界面


提供積疊點和彎掠積疊線的擬合與設定。


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图2. 13 叶片参数拟合


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 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。

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爲開發語言,完成一系列自動轉換功能,具體結果如下圖所示:


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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


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图2. 15 几何数据转换界面


三、主要性能指標

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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