摘要:为解决空气压缩机内涡轮叶片疲劳分析较为困难的问题，首先利用逆向工程技术，得到其三维模型，导入UG软件，然后应用UG软件的有限元分析功能，对涡轮叶片进行静力学分析和疲劳分析，计算出其疲劳寿命。结果表明:综合运用2种技术对涡轮叶片进行疲劳分析，能取得很好的效果。
关键词:涡轮叶片;疲劳分析;逆向工程;UG
中图分类号:TB652 文献标识码:A 文章编号:1671－6558(2016)01－15－04doi:10．3969/j．issn．1671－6558．2016．01．005
0引言
零部件在交变荷载的作用下长时间工作，虽然所受应力远低于材料的抗拉强度，甚至远低于屈服强度，但在使用中仍会发生突然断裂，这种现象称为疲劳破坏，简称疲劳。零件表面在出现疲劳破坏前均不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大的危险性，常常造成严重事故。据统计，约80%的机械零件失效是由于疲劳造成的。因此，对机器中重要的零部件进行疲劳分析，计算出其疲劳寿命，就显得十分重要。本文对空气压缩机内的涡轮叶片进行疲劳分析，首先利用逆向工程技术对涡轮叶片进行三维扫描、点云数据处理，得到其立体模型，再导入UG软件，最后利用UG软件的有限元分析功能，对涡轮叶片进行了疲劳分析。
1逆向工程技术简介
逆向工程技术又称反求技术，近年来在工业领域中广泛应用。工业产品传统的生产过程是先设计，再加工，最后得到产品，而逆向工程是用三维扫描的方法对产品实物进行扫描，根据获得的数据，再通过三维几何建模的方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品改进设计、分析与制造的过程［1］。这样就解决了如果没有产品的图纸或CAD数据档案，很难对其进行CAE分析的问题。对空气压缩机的涡轮叶片进行疲劳分析，首先就要利用逆向工程技术获得涡轮叶片的CAD模型。
2涡轮叶片的数据采集、数据处理、曲面重构和模型重建
2．1数据采集数据采集是逆向工程中的第1步，采集的数据是否准确将直接决定逆向工程的成败。这里使用三维天下公司的win3dd三维扫描仪，采用手动的方式对涡轮叶片进行全方位的三维扫描，这种非接触式扫描方法的扫描速度快，获得的数据全面，具有高精度和高分辨率，它能很好的获得涡轮叶片真实的三维数据［2］。2．2数据处理和曲面重构把扫描后得到的数据导入到逆向工程软件geomagicstudio中，得到大量的数据点，称之为“点云”。由于扫描的误差不可避免，点云中肯定会有一些坏点和冗余数据，因此先要对点云进行处理，使用该软件对点云进行噪声去除，数据精简和数据插补，然后根据处理后的点云进行曲面重构，如图1所示。最后进行曲面光顺，进一步提高了重构效果，并将最终的结果存成igs格式文件［3］。2．3模型重建将存成igs格式的涡轮叶片文件导入到UG软件中进一步处理，把涡轮叶片由曲面生成实体，如图2所示，并存成UG软件的prt模型格式。然后将重构的实体模型重新导回到geomagicstudio软件中，进行测量数据点与重构模型的对应点误差分析，经过分析，误差在允许的范围内。至此，空气压缩机的涡轮叶片反求完成。
3疲劳分析概述
在工业领域中，对零部件进行疲劳分析的难度较大，它并不像弹性、强度、硬度和韧性这些机械性能都易于测量，传统的测量方法都不是特别理想。近年来，随着有限元分析技术的不断发展，较好的解决了这一难题。疲劳分析的流程一般是先创建有限元模型和仿真模型，再进行静力学分析，在此基础上创建耐久性(即疲劳)方案，选取相应的准则，施加荷载，最后进行计算和疲劳结果分析［4］。
4涡轮叶片的静力学分析
4．1有限元模型建立首先，利用UG软件打开涡轮叶片的立体模型，之后进入“高级仿真模块”，赋予涡轮叶片的材料属性是优质合金结构钢40CrNiMoA，物理属性PSOL-ID，定义单元类型和网格类型，完成涡轮叶片的网格划分操作，如图3所示。之后对有限元模型进行检查，发现没有出现网格划分失败的情况。4．2仿真模型建立接着进行涡轮叶片仿真模型的建立，先选择“SESTATIC101－单约束”(线性静力学分析专用解算模块)解算方案类型，然后完成模型边界约束条件的定义操作，之后赋予涡轮叶片在工作环境中所承受的荷载，第1个荷载是叶片凹面的法向应力，大小是16MPa;第2个荷载是涡轮在高速旋转时所承受的离心力，角速度是11000rev/min，这样，仿真模型建立完毕，如图4所示。
5涡轮叶片的疲劳分析
下面在静力学分析的基础上，对涡轮叶片进行疲劳分析。5．1创建疲劳分析解算方案首先，创建“耐久性”解算方案，然后分别选取强度极限应力准则、无限寿命设计寿命准则和一般疲劳寿命准则。之后新建疲劳荷载，交变荷载的循环次数给定为107，用它来代表无数次循环。再编辑解算方案，激活迭代求解器和启用应变按钮，最后求解计算［5］。5．2疲劳分析结果在后处理导航器中，查看到涡轮叶片的强度安全因子大于1，证明其强度足够，结构设计合理。疲劳分布特点是靠近叶片和主体连接处最容易先产生裂纹，导致疲劳破坏［6］。而涡轮叶片的疲劳寿命从它的疲劳寿命云图中，我们可以看出，叶片顶角边缘疲劳寿命最长，为1．000E+036，叶片和主体连接处疲劳寿命最短，为1．000E+003，如图6所示。(注意:疲劳寿命并不是以时间来衡量，而是以零部件所能承受的交变荷载循环次数来衡量。)
6结论
本文把逆向工程技术和UG软件的有限元分析功能结合起来，实现了对空气压缩机涡轮叶片的疲劳分析，并最终计算出其疲劳寿命，对预防涡轮叶片疲劳失效提供了有力的数据，这样就可以采取相应的措施，防止零件断裂事故的发生。因此，具有很强的实际意义。随着逆向工程技术不断发展和UG软件不断升级，一定会更好的解决工业实际中的难题。
参考文献
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［3］陈飞，李新华，易春峰．自由曲面反求技术及其CAD/CAM一体化实现［J］．机床与液压，2010，38(1):104－106．
［4］毛艳蕾，吴新跃，汤华涛．某燃气轮机涡轮叶片的模态和疲劳分析［J］．机械工程师，2013(6):79－81．
［5］赵卫强，鲁墨武，赵永健，等．基于UG的航空发动机涡轮叶片计量经济论文模态分析［J］．机械设计与制造，2007(9):76－77．
［6］唐勇，张瑞珊．基于UG的叶轮强度和流场有限元分析［J］．机械制造与自动化，2009，38(4):61－64．
作者：王继群 任凤国 杨晓雪 单位：北京工业职业技术学院 北京工业职业技术学院
