基于三维测量的螺旋桨翼型数据获取与分析研究

任建勋

摘要：为了在设计多旋翼无人机过程中，合理选择与设计电动机—螺旋桨动力系统，同时也达到系统优化设计的目的，基于逆向工程原理对某型螺旋桨进行三维测量，获得点云数据。提出了一种获得翼型精确攻角和弦长的方法，并对29个数据进行拟合得到攻角和弦长随距离的变化曲线。通过仿真得到了翼型的升力系数、阻力系数和转矩系数，为多旋翼无人机设计过程中与螺旋桨相关的数学计算提供了依据。

关键词：逆向工程；三维建模；螺旋桨；翼型

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）24-5774-02

Acquisition and Analysis of Propeller Airfoil Data Based on 3D Measurement

REN Jian-xun

（Dept. of Equipment Transport， Armed Police Engineering University， Xian 710086， China）

Abstract： In the design of multi rotor UAV in the process， the rational choice and design of motor propeller power system， but also achieve system optimization design， a propeller for 3D me -asurement based on the principle of reverse engineering， get to the point cloud data. This paper presents a method for obtaining accurate attack angle and chordof airfoil， and the 29 data fitting curves of chord length of the angle of attackrange. This article obtained through simulation， the lift coefficient of airfoil drag and torque coefficients， the basis is provided for the calculation of propellerrelated multi rotor UAV design process of mathematics.

Key words： reverse engineering； Three-dimensional modeling； Propeller； airfoil

1 概述

螺旋桨是一种把发动机的动力变成拉力的装置，常被应用于航空飞行器与船舶的动力[1]。近年来无人机得到了迅猛的发展，并且应用于社会各个领域[2][3][4]。多旋翼无人机以螺旋桨为主要推进装置。螺旋桨的性能直接影响多旋翼无人机的气动特性、能耗和电能的使用效率。因此为螺旋桨提供选择依据对多旋翼无人机的气动优化设计、减少能耗和提高效率具有重要意义。

逆向工程成为消化吸收已有产品的成果和先进技术，并进行创新开发的一种手段[5]。生产厂家基于商业保密的原因，并未提供螺旋桨的相关设计参数[6]。在这种情况下，需要对螺旋桨进行逆向分析，从而得到设计及相关计算过程中所需的一些螺旋桨的相关参数。

本文所采用的是天远OKIO-V-400型三维扫描仪，对螺旋桨表面数据进行提取。

2 螺旋桨点云数据提取及预处理

2.1 螺旋桨点云数据提取

测量方式分析。OKIO-V-400扫描仪不能识别黑色物体，所以需要用显像增强剂将螺旋桨喷成白色。螺旋桨是薄壁件，因此在扫描完一面后需要借助其他的物体过渡到另一面。

点云数据的提取。打开设备后，首先进行定标，即建立空间坐标系。定标的结果是定标点精度0.0085mm，平面精度0.0093mm。其次，在螺旋桨表面贴上标记点。然后，进行下一次扫描，并进行拼接。经过24次扫描后，完成测量，将文件保存为ASC格式文件。

2.2 基于Geomagic点云数据预处理

将螺旋桨数据导入到Geomagic内。去除离散点。由于扫描过程中受到光线、扫描背景以及支撑物等因素的影响，扫描后会出现一些孤立的点[7]。离散点对扫描结果造成较大误差，因此需要将其去除。

消除噪点。螺旋桨表面处理成白色的过程中会造成螺旋桨表面出现一些噪点。另外扫描仪校正误差、拼接误差、外界的震动等都会导致点云出现噪点。噪点将造成螺旋桨表面不光滑，为后续处理带来不便，应当去除噪点。

封装及进一步处理。未处理过的螺旋桨点云数据量很大，运用“统一采样”命令，使点等间距分布，从而减少点数据。对点云进行封装，得到三角片组成的螺旋桨模型。通过删除离散的三角形、填充孔、修补边、光滑曲面等进一步处理得到高质量的三角面片。最后将三角面片转换成点云，并保存成ASC格式文件。

3 基于Pro/E翼型攻角和弦长的获取

将点数据导入到Pro/E内，选择翼型的前缘点和后缘点，并通过这两个点创建一条直线。测量并计算创建的直线与X轴的角度为12.515°，即翼型的攻角为12.515°。测量0.7[r]处的弦长D，测量结果弦长大小为22.8428mm。

根据相同的方法测得29个不同距离的翼型的弦长与攻角，并进行拟合得到攻角随距离的变化曲线（如图1） 和弦长随距离的变化曲线（如图2） 。

4 基于fluent的螺旋桨翼型气动力分析

4.1 基于Gambit翼型网格划分

修改IGES格式文件的后缀改成DAT文件并导入到gambit。划分网格，主要将翼型外面到无限远处的空气区域进行网格划分；设置边界条件，翼型上下表面设置为壁面边界条件，无限远处设置为压力远场边界条件。最后得翼型网格文件。

4.2 基于Fluent螺旋桨相关性能信息的获得

将从gambit导出的网格文件导入到fluent内，并进行相关操作可以到翼型的压力分布云图、升力系数、阻力系数、力矩系数和翼型上下表面的压力系数分布线图，可以清楚的了解当螺旋桨以每分钟7000转的速度运转时0.7r处的压力分布图。可以看出随着迭代次数的增加计算结果趋于稳定，从而可以得出翼型升力系数为12.18，翼型阻力系数为2.94，翼型力矩系数为17.12。

5 结论

本文利用逆向工程的相关方法，对螺旋桨进行三维扫描，得到了它的三维模型并准确的得到了测量的翼型数据。将翼型数据导入到Pro/E内，精确测量了翼型攻角和弦长，测得29组数据进行拟合，得到攻角和弦长随距离变化的曲线。从Fluent的仿真结果可以清楚的了解螺旋桨的升力系数为12.18、阻力系数为2.94以及力矩系数为17.12，达到了仿真的目的，为多旋翼无人机设计过程中螺旋桨的选择及相关计算提供了依据。

参考文献：

[1] 刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：1-2.

[2] Scott D. Hanford，Lyle N. Long ，Joseph F. Horn. A Small Semi-Autonomous Rotary-Wing Unmanned Air Vehicle （UAV） [C]//Infotech @ Aerospace Conference .American ： AI A A.2005：1-5

[3] Phillip J. McKerrow. Modelling the Draganflyer four-rotor helicopter[C]//Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation .American： IEEE. 2004：33-37

[4] 刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D].上海：上海交通大学，2009.

[5] 孟娜.基于激光扫描点云的数据处理技术研究[D].济南：山东大学，2009.

[6] 何甘林. 基于UG的螺旋桨逆向建模[J].企业科技与发展，2011，21：19-21.

[7] 李燕，黄凯.基于Geomagic的三维人体建模技术[J].纺织学报，2008，29（5）：130-134.

[8] 于勇，张俊明.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2012：56-76.