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基于特征的轴流泵叶轮自动建模

水 利 学 报 2004年 2月 SHUILI XUEBAO 第 2期 文章编号:0559-9350 (2004) 02-0045-05 基于特征的轴流泵叶轮自动建模 王海松 1,王福军 1,张志民 2,刘自贵 2 (1. 中国农业大学 水利与土木工程学院,北京 100083; 2 .中国水利水电科学研究院 科禹泵制造厂,北京 100044) 摘要:采用基于特征的造型机制,对轴流泵叶轮的三维自动建模系统进行了研究。所提出的叶轮建模系统基于 Pro-Engineer设计软件,采用二次开发工具 Pro/Toolkit开发完成。文中重点分析了特征描述法、族表法、用户自 定义特征法等三种造型方法的特点及适用性,提出了叶轮轮毂体采用特征描述法、叶片采用用户自定义特征法的基 本造型策略。给出了系统的技术路线、轮毂体及叶片自动建模的核心代码。造型实例证明了本方法具有适用性强、 速度快的特点,为进行高效率的轴流泵 CAD及高精度的流场计算(CFD)提供了一种新的途径。 关键词:轴流泵;叶轮;自动建模;Pro/Engineer;二次开发 中图分类号:TH312 文献标识码:A 三维模型不但能使计算机辅助设计与辅助制造(CAD/CAM)软件具备零件造型设计、装配、干涉检查、 加工模拟等功能,而且还可为结构有限元分析(FEA)和内部流场的计算流体动力学分析(CFD)提供初始网 格,从而可让用户有效进行零件应力分析、热场计算、速度场和压力场求解。因此,对零件三维造型,特 别是三维自动建模的研究,越来越引起人们的重视。 特征造型是当代 CAD 零件设计的定型主导技术 [1] 。以特征作为产品定义的基本单元,将产品描述成特 征的有机集合,能够打破设计制造活动的各个阶段和各种应用活动间的时间序列和信息次序,使 CAD/CAM 的集成,结构分析与流动分析的集成等成为可能。这种技术国内外都进行了研究并应用到某些领域中 [2~4] 。 而在水泵行业,现有的水泵 CAD设计系统大部分是基于二维绘图环境 [5,6] ,对水泵三维造型,特别是三维自 动建模的研究较少。目前在需要水泵三维模型的场合,如利用 Fluent 软件进行 CFD 分析时,一般是手工 交互建模。这不仅耗时耗力、精度低,不便于模型的重复利用及快速修改,且要求用户必须掌握足够的建 模知识。随着南水北调等大型水利工程的开工,对轴流泵,特别是大型轴流泵的应用越来越多,研究轴流 泵的 CAD、FEA 及 CFD 性能,显得非常迫切。开发实用的具有三维自动实体造型功能的轴流泵 CAD 软件是 泵 CAD的一个发展方向。 叶轮是轴流泵的核心部分,一方面它与泵的扬程、流量、效率、抗汽蚀性能等有着重要关系;另一方 面,其形状复杂,难以进行三维精确描述,给设计结果的分析造成了障碍。为此,作者在前期实现的轴流 泵水力设计软件 [7,8] 的基础上,重点对叶轮的特征造型方法和 CAD实施方案进行研究,并在目前使用最广泛 的 CAD支撑平台 Pro/Engineer上实现。 1 叶轮 3D自动建模的基本思路 轴流泵的叶轮主要由轮毂体、叶片两大部分组成。因不同部件具有不同的几何和结构特征,为此,需 要采用不同的造型策略才能实现自动造型。此外,还需要考虑并充分发挥现有 CAD支撑软件所提供的辅助 功能,才能设计出方便快速、具有极高精度的三维实体模型程序。 收稿日期:2003-05-22 作者简介:王海松(1976-),男,湖北黄冈人,博士生,研究方向为水力机械。 45 水 利 学 报 2004年 2月 SHUILI XUEBAO 第 2期 参数化的 CAD 支撑软件 Pro/Engineer 不仅提供了交互设计功能,还向用户提供了二次开发工具 Pro/Toolkit,这使得我们在常规 CAD软件中自动完成水泵叶轮三维造型成为可能。Pro/Toolkit所提供的 特征描述法、族表法和用户自定义特征法等方式,可分别用来进行水泵轮毂体、泵轴、叶片、转轮室的自 动实体造型。 对于轴流泵叶轮的轮毂体而言,其剖面图由直线和圆弧组成,但是直线和圆弧的数量、组合方式可能 不一样,即模型不固定,因此可以使用特征描述法来实现,特征描述法虽然需要从产品的底层详细构建模 型,难度和工作量都很大,但是能够动态、灵活的实现一些非固定模型的构件。 轴流泵的叶片是一个扭曲的几何面,它由多个二维截面来控制,每个截面又由许多控制点来控制

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