植保无人机旋翼逆向建模与数值模拟研究*

2022-06-24谢陈豪

机械工程与自动化 2022年3期

王浩,谢陈豪

(浙江安防职业技术学院智能安防学院，浙江温州 325000)

0 引言

多旋翼植保无人机因其具有高效、安全和节水节药的优点，近年来在农林植保方面被广泛应用。植保无人机的旋翼是关键部件，直接影响到旋翼拉力和旋翼风场，进而影响到植保无人机的工作效率和植保效果[1]。旋翼风场和药液雾场的分布情况是影响植保效果的重要因素，进行计算流体力学(CFD)数值模拟是对其研究的有效手段，如何获取精确的旋翼三维模型是其中的关键环节。针对这一问题，可采用基于逆向工程的建模方法对旋翼三维模型进行逆向重构。本文使用先临三维的EinScan-SP 3D扫描仪对大疆T20的旋翼进行三维扫描，将扫描获取的点云数据导入Geomagic Wrap软件进行处理，得到旋翼的重构曲面，利用SolidWorks做进一步处理得到旋翼三维实体模型；搭建旋翼的拉力测试试验台，使用Mayatech MT10PRO进行拉力测试、UNI-T UT330转速计测量转速，获取旋翼转速-拉力的试验数据；对逆向重构的旋翼模型进行CFD数值模拟，得到转速-拉力曲线，并将仿真数据与试验数据进行对比，两者误差满足要求，验证了重构模型的精度和该方案的可行性。

1 大疆T20植保无人机旋翼逆向建模

1.1 逆向建模流程

无人机旋翼逆向建模流程如图1所示。根据使用工具的不同主要分三个步骤：①在ExScan中获取点云数据；②在Geomagic Wrap中做进一步处理，获得旋翼的曲面；③在SolidWorks中生成旋翼实体模型。

图1 无人机旋翼逆向建模流程

1.2 点云数据采集

1.2.1 扫描仪调试

逆向工程根据表面数据采集方式的不同分为接触式和非接触式，依靠光学原理的非接触式测量具有效率高、精度高、测量便捷等优点，因而被广泛应用[2]。本文使用的3D扫描仪为光学非接触式扫描，包括计算机、扫描头和三角架三个部分，如图2所示。扫描仪光源形式为白色LED，相机分辨率为130万像素，扫描景深为290 mm～480 mm。为了有更好的光反射效果，采用俯拍的方式。首先需对扫描仪进行曝光度调整，实验室灯光环境下设置4级曝光，此时扫描窗口微微泛红，扫描效果最好。

图2 扫描仪调试图3 旋翼着色图4 点云数据采集结果

1.2.2 旋翼着色

大疆T20旋翼材质为碳纤维，由于黑色材质对光的反射率较低，需对旋翼进行白色显像剂着色，如图3所示。着色剂使用新美达FA-5反差增强剂，着色过程需快速完成以使涂层均匀，否则会引入较大误差。扫描仪单片扫描范围为200 mm×150 mm，旋翼型号为3390(旋转直径33英寸，螺距9英寸)，需进行多次分片扫描，因此需建立特征点，使每片扫描范围至少有3个重合的标志点，重合的标志点越多，点云拼接精度越高。

1.2.3 数据采集

旋翼结构呈扁平长条状，桨毂处厚度约为10 mm，桨尖处最大厚度约为1.7 mm，前后缘曲率较大，造成一定的扫描难度。在扫描过程中，需多次调整旋翼位置，使其在桨毂处依据特征点实现上下翼面的拼接。数据采集过程共进行15次扫描，基本实现旋翼细节全覆盖。扫描仪精度为0.05 mm，扫描点距为0.17 mm～0.2 mm，具备自动拼接功能。点云数据采集结果如图4所示。

1.3 精确曲面建立

1.3.1 点云处理

将采集得到的共计约300万的点云数据导入Geomagic Wrap中，首先进行点云处理，主要包括删除非连接项和体外孤点，目的是删除采集过程中由于旋翼移动和拼接所产生的噪声点；然后对点云进行采样精简，保持大曲率处数据点和边界点，使平坦曲面上的点能够均匀减少，经多次采样，最终点云数据量保持在30万左右,如图5 所示。

图5 点云处理图6 三维模型偏差云图图7 旋翼三维实体模型图8 旋翼拉力测试台

1.3.2 多边形数据处理

对处理后的点云进行合并封装处理，得到旋翼的多边形数据。由于软件坐标系与点云的坐标系不一致，因此需在软件中为模型建立新的坐标系。取桨毂处上下平面的中间面做为XZ平面，X轴方向与旋翼桨尖平面平行，Y轴垂直于XZ平面，并将该坐标系对齐到全局。合并后的多边形数据存在破损、凸起、交叉面等情况，需做进一步处理。使用填充功能对标志点、曲面、边界等破损位置进行修复，使用平滑功能对凸起、钉状物进行修复，使用网格医生做综合检查修复以后得到完整的翼型多边形数据。

1.3.3 精确曲面处理

对于曲面的处理，软件提供了两种方法：自动曲面化和分步曲面化。由于旋翼前后缘存在大曲率，因此采用分步曲面化，以便在每步处理过程中进行手动调整。首先探测模型轮廓线，对边界位置进行调整，重点调整前后缘和桨尖翼型边界；然后将旋翼曲面划分成不同的区域，构建曲面片，并使用移动面板功能对曲面片进行规整划分；在调整好的曲面片上构建格栅，最后拟合出曲面，得到旋翼的曲面模型，并将其输出为几何文件。

1.4 三维模型偏差分析

三维模型偏差云图如图6 所示。旋翼整体偏差基本分布在-0.049 4 mm～0.049 4 mm之间；最大偏差为0.420 1 mm，主要在旋翼的前后缘位置处；标准偏差为0.023 3 mm；RMS估计为0.023 5 mm。

1.5 三模实体模型建立

将旋翼曲面模型导入到SolidWorks软件中，测量旋翼的实际装配数据并对单个旋翼进行镜像，得到旋翼的三维实体模型，如图7所示。

2 转速-拉力测试

2.1 测试台搭建

为了验证旋翼的逆向模型能否应用于工程仿真，进行了旋翼转速-拉力测试，目的是获得旋翼在不同转速下的拉力值。搭建测试台的设备包括：大疆T20电机(重量666 g)，T20旋翼一对(重量180 g)，好盈天行者电调(最大持续电流60 A，最大输入电压22.2 V)，ACE格式锂聚合物电源(额定电压22.2 V，容量16 000 mAh)，Mayatech MT10PRO拉力测试仪(最大负载10 kg，误差1 g)，FUTABA 14SG遥控器，UNI-T UT330转速计(量程10 r/min～9 999 r/min，误差0.1 r/min)，三角架，固定台。

由于T20电机尺寸较大，因此自主设计了电机与拉力仪连接的底座。电机和旋翼总重为846 g，整个测量仪竖直放置，经校核旋翼平面为水平，从而避免了重力在其他方向产生分力而影响测量结果。将标称质量为100 g、500 g、1 000 g的砝码放置在拉力仪上进行测量，其读数与砝码标称质量误差均在1%以内，能保证试验结果的准确性。在电机表面贴一段反光纸用于转速计测量转速，用三角架将转速计进行固定。搭建的旋翼拉力测试台如图8所示。

2.2 旋翼拉力测试

连接电子设备，开启转速计，将拉力计初始读数置零；向上轻推油门，待旋翼稳定转动，逐渐增加油门杆量，待每级油门杆量转速稳定后记录转速计读数与对应的拉力计读数。试验用电源最大电压可使电机保持在1 890 r/min的空载转速，试验中取电机负载工作转速范围为0～1 600 r/min。重复进行三次测试，得到的试验结果如图9所示。由图9可以看出，旋翼拉力随转速的增大而增大。

图9 旋翼转速-拉力曲线图10 计算域示意图图11 旋翼转速-拉力试验结果与仿真结果对比

3 CFD数值模拟计算

3.1 数值计算方法

旋翼工作在低转速状态下，桨尖速度相对较小，可忽略空气压缩性，因此旋翼工作时的流场实际为三维、不可压缩、黏性的湍流流场，控制方程积分形式为：

其中：Ω为控制体；∂Ω为控制体的边界；Q为守恒变量矢量；dV为体积分微元；S为控制体表面；dS为面积分微元；F为通过表面的对流通量矢量；n为网格面的外法线向量；G为黏性通量矢量。

采用Realizablek-e湍流模型封闭方程组，能够保证旋翼流场模拟的精度和真实性。由于仿真模型存在螺旋桨旋转，采用多重参考系坐标模型MRF(Multiple Reference Frame)，将计算域划分为旋转域和静止域，将旋翼的流场简化为旋翼在某一位置的瞬时流场，以提高计算效率[3]。

3.2 前处理

3.2.1 建立计算域

整个计算域如图10所示,包括旋转域和静止域。设旋翼的旋转直径为D,其中旋转域为包括旋翼表面在内的内部圆柱区域(直径为1.05D，高度为0.15D)，其余部分为静止域(旋转域上表面距入口6D，径向距壁面6D，下表面距出口12D)。

3.2.2 网格划分

旋翼转速越快，需要的网格尺寸越小，以保证足够的分辨率才能解析流场。经过对旋翼转速为1 500 r/min时进行网格无关性验证，得到旋翼表面网格最大尺寸为5 mm、局部最小尺寸为1 mm，旋翼边界层第一层厚度为0.25 mm、总厚度为2 mm，旋转域与静止域交界面网格尺寸为25 mm，总网格数约为200万时，旋翼拉力模拟结果与网格基本无关。本文采用该网格参数进行旋翼在不同转速下的流场数值模拟。

3.2.3 参数设置

由于计算域足够长，因此入口边界采用压力入口，出口边界采用压力出口，参考压力为标准大气压。壁面设置为固定壁面，旋翼表面设置为滑移壁面，相对于旋转域的旋转速度为0。计算设置为稳态计算，压力速度求解采用SIMPLE算法，各参数求解精度设置为二阶，收敛标准设置为0.000 01。