(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111292830.2 (22)申请日 2021.11.03 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 周标　张元　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 刘莎 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于光学检测的整体叶盘有限元建模与失 谐辨识方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于光学检测的整体叶 盘有限元建模与失谐辨识方法， 采用3维结构蓝 光投影扫描系统测量叶片型面的差异化信息， 构 建精确的叶片几何型面点云模型， 通过新型网格 变形技术， 将谐调整体叶盘设计有限元模型表面 节点自动投射至实测点云表面， 以回避传统逆向 工程中冗长低效的实体模型重建和有 限元分网 环节， 从而实现整体叶盘高保真有限元模型的快 速构建。 本发 明能够准确建立对叶片几何失谐的 模型描述， 并进一步直接量化识别叶片几何失谐 对其固有频率和振型的影 响， 可大幅提高几何失 谐整体叶盘建模与动力学分析的准确性和效率， 对于开展整体叶盘高循环疲劳失效预防设计以 保障其结构完整性具有重要的实用价 值。 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 CN 114036664 A 2022.02.11 CN 114036664 A 1.基于光学检测的整体叶盘有限元建模方法， 其特 征在于， 具体步骤如下： 步骤1， 基于三维数字化光学检测技术捕 获整体叶盘的叶片型面几何信息， 得到测量点 云数据， 进 而得到点云模型； 步骤2， 整体叶盘设计模型具有循环对称特性， 对整体叶盘设计模型的任一扇区进行有 限元分网 并沿周向复制， 得到谐调叶盘有限元模型； 步骤3， 将点云模型和整体叶盘设计模型进行配准； 步骤4， 针对谐调叶盘有限元模型中的每一个叶片， 分别获取该叶片压力面和吸力面有 限元节点与对应该叶片的点云模型的总距离偏差信息， 二者之中取偏差数值较大者为该叶 片的预变形参 考面； 步骤5， 将预变形参考面上的每个有限元节点投影至点云模型， 得到对应的预变形节点 及位移变形矢量； 步骤6， 对预变形参考面上的一个有限元节点， 对谐调叶盘有限元模型中叶片非参考面 上距其最近的相邻节点施加与其相同的位移变形矢量， 得到该相邻节点对应的预变形节 点； 步骤7， 将步骤5和6得到的预变形节点分别投影至点云模型， 得到谐调叶盘有限元模型 中叶片每 个有限元节点的投影节点； 步骤8， 对步骤7 得到投影节点进行矢量校准； 步骤9， 根据矢量校准后的投影节点， 生成体网格， 获得整体叶盘高保真有限元模型。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤1中采用三维结构蓝光光栅投影仪捕获 整体叶盘的叶片型面几何信息 。 3.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤2中采用带中间节点的四面体单元， 对盘 区域和叶片区域进行不同密度的分网。 4.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤3中将点云模型和整体叶盘设计模型置 于同一空间坐标系内， 基于最佳拟合对齐的原理， 通过点云模型的变换， 使点云模型的质 心、 最小惯性主轴与整体叶盘设计模型的质心、 最小惯性主轴匹配。 5.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤4中使用KD树算法进行预变形参考面的 选取， 具体为： 首先利用所有点云模 型的节点空间坐标构建三 维KD树数据结构， 即建立对所 有点云节点的快速索引； 然后， 分别将谐调叶盘有限元模型叶片压力面/吸力面的表面节 点 作为输入， 基于KD树数据结构获取谐调叶盘有限元模型叶片压力面/吸力面各个表面节点 与其3个最近点云邻点的距离信息， 分别求和 后得到该叶片 压力面/吸力面有限元节点与点 云模型的总距离偏差信息 。 6.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤5中有限元节点投影至点云模型， 具体 为： 针对每一个有限元节点， 搜索其在点云模型中的三个最近邻点云点及这三个最近邻点 构成的网格平面， 将该有限元节点投射至该网格平面， 得到该有限元节点对应的预变形节 点。 7.如权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 步骤8中矢量校准的步骤如下： 1)甄别投影前后位移矢量与其相邻节点偏差不满足设定条件的节点： 记N1(x1， y1， z1)，…， Nm(xm， ym， zm)是投影前谐调叶盘有限元模 型叶片表面网格节点N(x， y， z)相邻节点， 投影后的节点记为N ′1(x′1， y′1， z′1)，…， N′m(x′m， y′m， z′m)和N′(x′， y′， z′)，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114036664 A 2为各节点投影前后变形的位移矢量， 其中 节点N(x， y， z)与Ni(xi， yi， zi)的位移矢量偏差为 则对于节点 N(x， y， z)的每 个相邻节点， 其 位移矢量偏差需满足 其中 为Ni(xi， yi， zi)和N(x， y， z)之间的距离， r为调控节点投影后相 对变形的可变 系数； 2)针对变形位移矢量偏差不满足设定条件的节点， 其 位移矢量进行如下的校准处 理： 其中， 为N(x， y， z)校准后的变形位移矢量； 则N(x， y， z)在变形位移矢量校准之后的新节点 为 8.一种整体叶盘叶片的几何失谐辨识方法， 其特 征在于， 具体步骤如下： 步骤1)， 采用如权利要求1至7中任一所述的方法建立整体叶盘高保真有限元模型； 步骤2)， 在整体 叶盘高保真有限元模型叶片的叶根处节点施加约束边界条件， 计算叶 片各阶模态频率； 步骤3)通过 下式计算整体叶盘中各阶叶片模态的频率失谐量： 其中δi， j为编号为i的叶片第j阶模态的频率失谐量， fi， j为编号为i的叶片第j阶模态频 率， 为各叶片第j阶模态频率的均值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114036664 A 3