基於Pro/E的離心壓縮機葉輪三維造型

tags: 壓縮 壓縮機    時間:2014-03-06 22:50:13
基於Pro/E的離心壓縮機葉輪三維造型簡介
摘要:介紹了創建三維實體的思路,並以一個離心壓縮機葉輪的三維造型為例,闡述了由計算數據到創建幾何實體模型的過程,運用Matlab對曲線、曲面的處理,生成的數據與Pro/E介面來創建實體的方……
基於Pro/E的離心壓縮機葉輪三維造型正文
摘要:介紹了創建三維實體的思路,並以一個離心壓縮機葉輪的三維造型為例,闡述了由計算數據到創建幾何實體模型的過程,運用Matlab對曲線、曲面的處理,生成的數據與Pro/E介面來創建實體的方法。
 
關鍵詞:離心式壓縮機;葉輪;三維造型
 
0 引言
    三元葉輪是離心壓縮機中完成能量轉換的核心部件。對於閉式葉輪而言,葉輪由輪蓋,葉片輪盤組成,其中最為複雜的是葉片的造型,因為葉片是空間內的扭曲曲面體。然而葉輪的三維實體造型是實現數字化設計與製造的關鍵。只有在準確的三維實體模型基礎上才能劃分出優質的網格,並進行計算流體動力學分析(CFD)和性能預測、剛度計算分析(CAE)和數控加工(CAM)等。
    目前市場上使用的CAD/CAM/CAE商業軟體主要有UG、Pro/ENGINEER、CATIA等,其中Pro/E使用最為廣泛,並且功能強大且介面友好,本文使用Pro/E進行三維實體建立,並將在Matlab里生成的葉片坐標數據保存為.lib文件,與Pro/E進行介面,從而生成空間扭曲葉片。探索一種實現自動建摸的途徑。
1  三維實體造型的方法
    三維建模是計算機圖形學中的一種非常複雜的技術。目前,造型和建模的方法有5種[1],即線框造型、曲面造型、實體造型、特徵造型和分維造型。實體建模的方法包括邊界描述、創建實體幾何形狀、截面掃描及旋轉等。
1.1  邊界描述
    與表面建模方法非常相似,即先將目標實體的二維造型草繪出來。邊界描述與表面建模方法的區別,在於對應於每一個小片或其他形狀表面的數據,是否包含有關於實體內部和外部的信息。
1.2  創建實體幾何形狀
    通過常用的布爾運算,即並、減和交運算來結合或組合適當的基本實體得到目標實體的幾何形狀。
1.3  截面掃描
    應用一個平面(截面)沿一條線(軸)移動(掃描)來建立三維實體。
1.4  旋轉
    繞著一條軸線旋轉一個平面圖形或旋轉一條曲線就可以得到一個三維實體(旋轉體)。
2 三維實體造型的思路
2.1   曲面的空間造型
    現有的三元葉片曲面大致可分為直紋面和自由曲面兩種,而這兩種曲面在造型過程中是通過中性面來構造的[2]。在實際的工程應用中,多使用自由曲面來進行造型。而葉片的壓力面和吸力面是通過中性面來造型的。構造中性面的方法又可分為兩種:試驗數據的樣條加密法和數值計算數據與Pro/E軟體介面的方法。中性面造型過程框圖見圖1。
 圖1  三元葉片中性面造型過程
2.2  三元葉輪輪盤造型
    三元葉輪的輪盤造型較為簡單,為旋轉體。造型的方法為先繪出二維草圖,指定旋轉軸,再通過旋轉的方法構造輪盤的三維實體模型,或直接利用三維造型命令構造出規則實體模型,如長方體、圓柱體等,再利用拉伸、旋轉、抽殼等功能,並對簡單實體進行布爾運算,從而得到組合出的三元葉輪輪盤。用Pro/E創建的輪盤造型見圖2。
圖2  葉輪輪盤
3 離心壓縮機空間扭曲葉片造型
3.1   在Pro/E下建立葉片的中性面
    運行Pro/E, 建立新零件,默認坐標系及基準平面。
3.1.1  由.ibl文件生產空間曲線
    .ibl文件[3]是Pro/E中生產基準曲線的文件格式。使用Matlab進行數值計算,並將計算得到的葉片坐標保存為.ibl文件。MATLAB ( Matrix Laboratory ) 即“矩陣實驗室”[4],是一款集數值計算、符號運算、圖形處理及程序設計等強大功能於一體的,當今國際上最流行的科學與工程計算的軟體工具, 具有極高通用性、帶有眾多實用工具的運算操作平台。它具有強大的科學運算、靈活的程序設計流程、高質量的圖形可視化與界面設計、便捷的與其他程序和語言介面的功能。為解決工程技術科學問題提供了強有力的數據分析、數值和符號計算、通信工程、信號處理等多個工具。其中.ibl文件是ascii碼格式,也可以在文本編輯器中編輯。數據文件的格式如下:
Open Arclength
Begin Section!1
Begin Curver!1
1    0.0000     0.0000      0.0301
2    0.0008    -0.0006     0.0301
3    0.0011    -0.0007     0.0301
4    0.0016    -0.0009     0.0301
5    0.0030    -0.0011     0.0301
……
Begin Section!2
Begin Curver!1
1    0         0              0.0301
2   -0.0002     0.0008     0.0301
3   -0.0001     0.0011     0.0301
4    0.0001    0.0017     0.0301
5    0.0009     0.0028     0.0301
6    0.0026     0.0047     0.0301
……
其中的數據有4列,依次為點的編號、x坐標、y坐標和z坐標。
Begin Section! 1是開始第1部分的曲線,Begin Section!2  開始第2部分的曲線。一段曲線中兩個點定義一條直線,兩個點以上定義一條樣條曲線。
3.1.2 由空間曲線建立葉片中性面
    在Pro/E中選擇“插入”——>“模型基準”——>“曲線”,選擇“從文件”——>“完成”,再創建或選擇曲線參照的坐標系,在出現的窗口中選擇打開.ibl文件,點擊“確定”后曲線就生成了。這樣就生成了葉片的中性面曲線。繪製出不同截面的中性面曲線,再由“邊界混合”即可得到葉片的中性面見圖3。
圖3  葉片中性面
3.2    葉片吸力面和壓力面的造型
    由於葉片具有一定的厚度,所以還需要對葉片的壓力型面和吸力型面進行造型。在中性面上各點的單位法向量根據一直的葉片厚度和曲面等距等約束,將中性面沿各點的正、負法線方向偏移半個葉片厚度,即可得到吸力面和壓力面的空間曲面。這一過程在Pro/E中的實現十分方便,只需要將上一步造型的中性曲面進行“加厚”,選擇葉片厚度,確定即得目標實體見圖4。
圖4  葉片吸力面和壓力面的造型
3.3  葉片光滑性檢查及修形
     利用Pro/E的曲面分析工具對葉片工作面進行分析,對於不光滑的區域,修改相應位置的曲線形狀,直至滿足要求為止。
3.4   葉片實體的延伸
    由於生成的葉片曲面並不是完整的,所以採用非均勻有理B樣條曲線曲面延伸的方法進行處理,選取已生成的葉片實體,對其進行“延伸”至葉輪輪盤位置,這樣可保證葉片的完整。並選取葉片和輪盤兩個基本實體,進行布爾運算生成滿足準確要求的葉輪實體模型。
3.5 葉片進口與出口倒圓
    對進口邊,執行操作:插入導圓角——>選擇進口邊——>圓角類型選擇完全導圓角——>完成;對出口邊,執行操作:插入導圓角——>選擇出口邊——>輸入圓角半徑——>完成。這樣,整個葉片的造型即已完成。
3.6 生產一定數量的葉片
    執行操作:編輯“複製”——>選擇葉片實體——>完成;“移動”(旋轉) ——>選擇葉片實體,輸入旋轉角度(360°/Z)(Z為葉片數)——>完成。使用編輯 “陣列”——>尺寸,選擇上一步操作,數量選擇(Z-1) 完成。這樣,就得到了Z個葉片。
3.7  生成離心壓縮機葉輪幾何實體
     對葉片陣列和輪盤進行布爾運算,最後得到離心壓縮機葉輪的三維幾何實體見圖5。
圖5  葉輪造型
4 結束語
(1) 本文基於Pro/E工具以簡便的方法實現葉片的實體化造型,利用Pro/E和Matlab的良好介面,直接導入葉片的坐標,完成中性面的曲線繪製。避免調入數據或輸入曲線方程時數據處理的繁瑣。
(2) 由.ibl文件創建曲線的最大優點是改變很方便。如曲線發生改動,只需修改.ibl中的數據點的坐標便可以重新定義曲線。且可以有一個文件生成多條曲線,減少繁瑣的繪圖工作,有效提高工效。
(3) 完成的葉片的實體造型,為後續結合靜子部件完成整機的網格劃分與CFD分析,建立了基礎。
(4) 由於本例中選取的還是由離散點來建立曲線、曲面的方法,難免會出現不精確的地方,如果使用非均勻有理B樣條對中性面上的點進行加密,會達到更好的效果,是幾何實體造型處理中的一種有效方法。
參  考  文  獻
[1] 任奕林,文友先,李旭榮.計算機三維實體造型在工程設計中的應用[J]. 農機化研究,2005(4):245-246,250.
[2] 魏國家.三元葉輪葉片造型方法及壓型模具數控加工技術[J]. 風機技術,2006(5):19-21.
[3]. 周一屆.Matlab在Pro/E中的應用[J]. 輕工機械,2004(4):62-64.
[4] 楊滌塵. 數學軟體與數學建模[J]. 湖南人文科技學院學報,2006(6):8-10,13.

 

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