冷态叶片模型的生成方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及叶轮机技术领域，尤其涉及一种冷态叶片模型的生成方法、电子设备及存储介质。

背景技术

轴流压气机是一种用于将机械能转化为压力势能的叶轮机械，其一般包括外机匣、内轮毂以及多级叶片，每一级叶片按前后顺序包含一排转子叶片与一静子叶片，其中，静子叶片固定在外机匣上，转子叶片安装在内轮毂上，内轮毂与动力机构相连接。对工质做功，提升工质压力。转子叶片为转动部件，在轴流压气机工作时，转子叶片在离心力、气动力及热应力的作用下，会发生变形；静子叶片为非转动部件，其在气动力及热应力的作用下也会发生变形。无论静子叶片抑或转子叶片，其在工作时发生的变形均会引起性能下降。因此，在压气机设计制造时，会针对设计的热态叶型进行冷热转换得到冷态叶型，通常此冷态叶型是杂乱的实体有限元点，而工厂对此叶片进行加工时，需要的是由有序点组成的冷态叶型生产截面。

发明内容

本发明提供一种冷态叶片模型的生成方法、电子设备及存储介质，用于提供一种由有序点组成的冷态叶型生产坐标的生成方法，以便于工厂加工生产。

第一方面，本发明提供一种冷态叶片模型的生成方法，该冷态叶片模型的生成方法包括以下步骤：

将叶片的热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间建立映射关系，根据所述映射关系以及所述热态强度模型的有限元点在冷热状态下的变化量，计算得到热态气动模型的有限元点在冷热状态下的变化量；

将所述热态气动模型的有限元点与所述热态气动模型的有限元点在冷热状态下的变化量叠加，以得到有序的冷态叶片模型。

具体的，本申请中，以热态气动模型为基础去计算冷态的叶片模型，由于热态气动模型的有限元点为有序点，进而，得到的冷态叶片模型即是由有序点组成的模型，可以便于工厂加工生产使用。具体的，本申请中，首先将热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间形成映射关系，使得热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间建立联系，然后根据该映射关系，以及热态强度模型的有限元点在冷热状态之间的变化量，计算得到热态气动模型的有限元点在冷热状态之间的变化量，最后，以热态气动模型为基础，通过将热态气动模型的有限元点与其变化量叠加，即可以获得冷态叶片模型。相比于对由杂乱点组成的冷态叶片模型的点进行排序的方法，本申请实施例的冷态叶型生产坐标的生成方法，操作简单，成功率高，工作耗时短，对冷态叶型有限元杂乱点的分布规则要求很低，得到的叶型尖部与根部的准确性较好。

可选的，将叶片的热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间建立映射关系；具体包括以下步骤：

将所述热态强度模型划分为六面体有限元单元，每个所述有限元单元的顶点为热态强度模型的有限元点；

将所述热态气动模型的每一个有限元点O进行如下操作：确定距离所述有限元点O最近的有限元单元E，以及所述有限元点O在所述有限元单元E的各个面的投影点中距离最近的投影点P。

可选的，根据所述映射关系以及所述热态强度模型的有限元点在冷热状态下的变化量，计算得到热态气动模型的有限元点在冷热状态下的变化量；具体包括以下步骤：

根据所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系，以及所述有限元单元E在局部坐标下的形函数F，计算所述投影点P在全局坐标系下的热态和冷态之间的变化量D

可选的，确定距离所述有限元点O最近的有限元单元E，以及所述有限元点O在所述有限元单元E的各个面的投影点中距离最近的投影点P；具体包括以下步骤：

寻找距离有限元点O最近的n个有限元单元；

将有限元点O向所述n个有限元单元的各个面进行投影，确定最近的投影点P以及所述投影点P所在的有限元单元E。

可选的，根据所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系，以及所述有限元单元E在局部坐标下的形函数F，计算所述投影点P在全局坐标系下的热态和冷态之间的变化量D

通过所述形函数F形容所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系，关系式如下：

其中，x、y、z是有限元单元E内任意一点的全局坐标，x

根据所述有限元单元E的各顶点的坐标，利用所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式，计算得到所述有限元单元E在局部坐标下的形函数F：

其中，m

根据所述形函数F以及所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式，计算得到所述投影点P的全局坐标WP在有限元单元E中对应的局部坐标LP；

通过所述形函数F形容所述有限元单元E在全局坐标下的变形量与在局部坐标下的变形量的关系，关系式如下：

将所述投影点P的局部坐标LP带入有限元单元E在全局坐标下的变形量与在局部坐标下的变形量的关系式，计算得到投影点P在全局坐标系下的变化量D

可选的，根据所述形函数F以及所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式，计算得到所述投影点P的全局坐标WP在有限元单元E中对应的局部坐标LP；具体包括以下步骤：

将形函数F在全局坐标系下的任意点K(x

其中，Coor代表全局坐标，LCoor代表局部坐标，J

根据投影点P的全局坐标WP，利用所述迭代关系式，近似得到虚拟局部坐标VLP；

根据所述虚拟局部坐标VLP，利用所述有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式，计算得到虚拟全局坐标VWP；

将全局坐标WP与虚拟全局坐标VWP进行比较，若|WP-VWP|<ε，则认为虚拟局部坐标VLP就是投影点P对应的局部坐标LP；否则，根据(WP-VWP)，利用所述迭代关系式求得新的虚拟局部坐标VLP，并重复迭代进行，直到求得的虚拟局部坐标VLP所对应虚拟全局坐标VWP满足|WP-VWP|<ε。

可选的，在得到有序的冷态叶片模型之后，还包括以下步骤：

利用所述冷态叶片模型的叶型截面向设定的截面高度上插值，以获得等高的冷态叶型截面。

可选的，若所述设定的截面高度在所述叶型截面内部，则采用三次样条插值，若所述设定的截面高度在所述叶型截面外部，则进行线性外插。

可选的，在将叶片的热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间建立映射关系之前，还包括以下步骤：

利用热态气动模型的截面进行样条插值，得到热态气动模型的新的最高与最低的截面，所述新的最高与最低的截面位于所述热态强度模型之内。

第二方面，本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括：

存储器，用于存储可执行指令；

处理器，用于读取并执行存储器中存储的可执行指令，以实现如上述任一项所述的冷态叶片模型的生成方法。

第三方面，本申请还提供一种存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备执行时，使得所述电子设备能够执行如上述任一项所述的冷态叶片模型的生成方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，可参考在下面的附图中示出的实施例。在附图中的部件未必是按比例的，并且有些相关的部件可能省略，以便强调和清楚地说明本公开的技术特征。另外，相关要素或部件可以有如本领域中已知的不同的设置。

图1为本发明一实施例提供的一种冷态叶片模型的生成方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的一种冷态叶片模型的生成方法的部分具体流程图。

具体实施方式

下面将结合本公开示例实施例中的附图，对本公开示例实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。本文中的描述的示例实施例仅仅是用于说明的目的，而并非用于限制本公开的保护范围，因此应当理解，在不脱离本公开的保护范围的情况下，可以对示例实施例进行各种修改和改变。

本申请提供一种冷态叶片模型的生成方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101，将叶片的热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间建立映射关系；

步骤102，根据该映射关系以及热态强度模型的有限元点在冷热状态下的变化量，计算得到热态气动模型的有限元点在冷热状态下的变化量；

步骤103，将热态气动模型的有限元点与热态气动模型的有限元点在冷热状态下的变化量叠加，以得到有序的冷态叶片模型。

‘热态强度模型’和‘热态气动模型’是叶片在热态下的两种物理模型，这两个模型的形状大致相同，但是用于描绘这两个模型的有限元点不同，相应地，这两个模型的用途也不同。具体的，热态强度模型的有限元点为无序点，一般用于强度计算，例如，用于静强度校核，或者用于计算叶片的固有频率等；另外，已知该热态强度模型，即可以得到该热态强度模型在冷热状态下的变形量以及在冷态下的强度模型。热态气动模型的有限元点为有序点，一般用于计算叶片在工作状态下的气动参数，例如用于计算流体力学数值模拟。相关技术中，一般直接通过热态强度模型计算得到冷态下的强度模型，该冷态强度模型是杂乱的有限元点，然后对该杂乱的点进行排序，以得到由有序点组成的冷态叶型截面。该方法操作繁琐，成功率低，工作耗时长，且对冷态叶型有限元杂乱点的分布规则要求高，得到的叶型尖部与根部的准确性较差。

本申请中，以热态气动模型为基础去计算冷态的叶片模型，由于热态气动模型的坐标点为有序点，进而，得到的冷态叶片模型即是由有序点组成的冷态叶型，可以便于工厂加工生产使用。具体的，本申请中，首先将热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间形成映射关系，使得热态气动模型的有限元点与热态强度模型的有限元点之间建立联系，然后根据该映射关系，以及热态强度模型的有限元点在冷热状态之间的变化量，计算得到热态气动模型的有限元点在冷热状态之间的变化量，最后，以热态气动模型为基础，通过将热态气动模型的有限元点与其变化量叠加，即可以获得冷态叶片模型。相比于对由杂乱点组成的冷态叶片模型的坐标点进行排序的方法，本申请实施例的冷态叶片模型的生成方法，操作简单，成功率高，工作耗时短，对冷态叶型有限元杂乱点的分布规则要求很低，得到的叶型尖部与根部的准确性较好。

一些实施例中，步骤101，具体包括以下步骤，如图2所示：

步骤201，将热态强度模型划分为六面体的有限元单元，每个有限元单元的顶点为热态强度模型的有限元点；即通过有限元法对热态强度模型进行分割。具体的，在其他实施例中，也可以将热态强度模型划分为其它规格的有限元单元，例如划分为四面体的有限元单元。但是，根据有限元单元的形状不同，后续对于热态气动模型的坐标点在热态和冷态之间的变化量的具体算法则不同。

步骤202，将热态气动模型的每一个有限元点O进行如下操作：确定距离有限元点O最近的六面体有限元单元E，以及有限元点O在该有限元单元E的各个面的投影点中距离最近的投影点P。

具体的，在同一个全局坐标系下，热态强度模型和热态气动模型的轮廓大致重合，进而，可以将热态气动模型的有限元点O与热态强度模型的有限元单元之间建立联系，从而使得热态气动模型的有限元点O与热态强度模型的有限元点之间形成映射关系；具体的，本申请中，采用寻找有限元点O在六面体有限元单元网格面上的最近的投影点P的方式将两个模型的点之间建立起联系，以便于后续通过热态强度模型的有限元单元在冷热态之间的变形量计算得到热态气动模型的有限元点O在冷热态之间的变化量。

示例性的，示例性的，步骤202的具体步骤如下：

寻找距离有限元点O最近的n个六面体有限元单元；具体的，n为正整数，例如可以为32.，也可以为16；

将有限元点O向n个有限元单元的各个面进行投影，确定最近的投影点P以及该投影点P所在的有限元单元E，即找到了距离有限元点O最近的投影点P和最近的有限元单元E；例如，若n为32.，则将有限元点O向32*6个面进行投影。

在上述实施例的基础上，步骤102，可以包括以下步骤，如图2所示：

步骤203，根据有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系，以及有限元单元E在局部坐标下的形函数F，计算投影点P在全局坐标系下的热态和冷态之间的变化量D

‘全局坐标’，即在整个热态强度模型坐标系下的坐标；‘局部坐标’，即以六面体有限元单元E的等价六面体为基础建立的坐标系。具体的，六面体有限元单元E，以热态强度模型的有限元点为顶点，一般不是规则的六面体；因此本申请中，以利用六面体有限元单元E的等价六面体为基础建立三维坐标系，具体的，六面体有限元单元E的等价六面体为规则六面体，具体可以是正六面体。

本实施例中，由于有限元点O与其最近的投影点P之间的距离非常小，因此，将最近的投影点P近似作为有限元点O，将最近的投影点P在热态和冷态之间的变化量D

示例性的，步骤203的具体步骤如下：

步骤301，通过形函数F形容有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系，其关系式(1)如下：

其中，x、y、z是有限元单元E内任意一点的全局坐标，x

步骤302，根据有限元单元E的各个顶点的坐标，利用有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式，计算得到有限元单元E在局部坐标下的形函数F，换句话说，可以通过将有限元单元E的八个顶点的坐标带入关系式(1)，以计算得到形函数F，具体的，形函数F的公式如下：

其中，m、l、n是有限元单元E等价六面体的各点的局部坐标，m

步骤303，根据形函数F的公式以及有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式(1)，计算得到投影点P的全局坐标WP在有限元单元E中对应的局部坐标LP；

步骤304，通过形函数F形容有限元单元E在全局坐标下的变形量与在局部坐标下的变形量的关系，该关系式(2)如下：

具体的，由于有限元单元E内的任意点的坐标值与坐标值的变化量对于形函数F是等参元，因此，形函数F不仅能够用于形容有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系，也能用于形容全局坐标的变化量与局部坐标的变化量的关系；

步骤305，将投影点P的局部坐标LP带入有限元单元E在全局坐标下的变形量与在局部坐标下的变形量的关系式(2)，计算得到投影点P在全局坐标系下的变化量D

一些实施例中，步骤303，具体可以包括以下步骤：

将形函数F在全局坐标系下的任意点K(x

Coor(x,y,z)＝Coor(x

其中，Coor代表全局坐标，LCoor代表局部坐标，J

将全局坐标与局部坐标的线性关系式(3)调整后得到迭代关系式(4)：

唯一迭代公式(5)如下：

根据投影点P的全局坐标WP，利用迭代关系式(4)，近似得到虚拟局部坐标VLP；根据虚拟局部坐标VLP，利用有限元单元E的全局坐标与局部坐标的关系式(1)，计算得到虚拟全局坐标VWP；换句话说，将全局坐标WP带入关系式(4)，得到虚拟局部坐标VLP，将虚拟局部坐标VLP带入关系式(1)，得到虚拟全局坐标VWP；

将投影点P的全局坐标WP与虚拟全局坐标VWP进行比较，若|WP-VWP|<ε，则认为虚拟局部坐标VLP就是投影点P对应的局部坐标点LP；否则，根据(WP-VWP)，利用迭代关系式(5)求得新的虚拟局部坐标VLP，并重复迭代进行，直到求得的虚拟局部坐标VLP所对应的虚拟全局坐标VWP满足|WP-VWP|<ε，具体的，ε的数值设置，需要满足加工生产所允许的精度，具体可为微米级。

一些实施例中，本申请中，在步骤103之后，还可以包括以下步骤：

步骤104，利用冷态叶片模型的叶型截面向设定的截面高度上插值，以获得等高的冷态叶型截面。

具体的，现有的热态气动模型的叶型截面不是等高面，进而，采用该热态气动模型得到的冷态叶片模型，其叶型截面也不是等高面，加工工厂无法直接根据其叶型截面进行加工。本实施例中，通过在设定的等高面上进行插值操作，即可得到可用于加工生产的等高的截面的有序点。

示例性的，步骤104中，具体可以包括以下步骤：

若设定的截面高度在冷态叶片模型的叶型截面内部，则采用三次样条插值，若设定的截面高度在冷态叶片模型的叶型截面外部，则进行线性外插。

一些实施例中，本申请中，在步骤101之前，还可以包括以下步骤：

步骤100，利用热态气动模型的截面进行样条插值，得到热态气动模型的新的最高与最低的截面，该新的最高与最低的截面位于热态强度模型之内。

示例性的，步骤100中，具体可以对热态气动模型的截面进行三次样条插值。

具体的，通过步骤100的插值操作，可以使得热态气动模型的根部和尖部的点位于热态强度模型之内，进而保证热态气动模型的根部和尖部的点都能够投影到热态强度模型的有限元单元上，进而提高最终得到的冷态叶片模型的叶型尖部与根部的准确性。

本申请提供一种生成叶型冷态截面坐标的方法，具体的，该方法采用了有限元、等参元插值等方法，可以快速、高效的得到用于工厂加工生产的冷态叶型截面，并且，该方法中，对有限元网格的要求低，且插值精度较高。

具体的，该方法对于叶片形式不限制，可以是压气机叶片，也可以是涡轮叶片；当叶片根部带倒圆，若倒圆为六面体网格，也适用。

另外，本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括：

存储器，用于存储可执行指令；

处理器，用于读取并执行存储器中存储的可执行指令，以实现上述任一项的冷态叶片模型的生成方法。

具体的，该电子设备可以为服务器或具有处理功能的终端设备，可以执行上述方法的程序。

另外，本公开实施例还提供一种存储介质，当存储介质中的指令由电子设备执行时，使得电子设备能够执行上述任一项的冷态叶片模型的生成方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明创造后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和示例实施方式仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的保护范围仅由所附的权利要求来限制。