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基于SolidWorks的离心泵叶轮参数化设计系统的开发

发表时间: 2017/7/14 作者: 马婕 来源: 互联网
叶轮的3D模型是CFD数值模拟和CAM加x_Cj前提。为获得离心泵叶轮的3D参数化模型,本文用VB对SolidWorks进行二次开发,基于木模图扭曲叶片表面的型值点,采用无原型参数化方法实现了扭曲叶片的3D参数化模型;采用特征建模技术实现了离心泵叶轮前/后盖板的3D参数化模型。提出基于零部件在装配体中的空间坐标实现离心泵叶轮的参数化虚拟装配。该方法所建叶轮模型精度高,对后期特性分析和数控加工有实用价值。
 

    0 引言

    离心泵是泵中应用最广的通用机械,而叶轮是离心泵的核心部件。无论是采用CFD对泵进行流动机理、性能分析与优化设计还是采用CAM技术提高叶片的加工精度和生产效率都需要在叶轮3D模型的基础上展开。可见,叶轮的3D模型在泵设计、加工制造中发挥着举足轻重的作用。

    目前,国外已开发出具有完整功能的离心泵CAD软件,包括水力设计、过流部件绘型、性能预测、走刀路线的输出等,已直接应用于生产。国内开发的泵水力设计CAD软件,将繁琐的水力设计过程实现了计算机自动化,但只能提供2D工程图,不能直观反映泵的空间形状,且无法给出泵的3D模型。目前,国内尚无实用的泵三维结构设计的软件,设计者只能在水力设计基础上采用手工交互式方式建模。手工建模工作繁琐,耗时长,不利于泵的设计和制造。因而,开发离心泵3D参数化建模系统将大大提高泵的设计效率,减少设计者的重复工作量,更好地服务于生产。

    近年来,国内开展了有关泵的叶轮、蜗壳3D造型的研究。文献用Pro/E开发了叶片的水力设计和叶轮造型软件,叶片造型不够精确,并且仅适合生成轴面投影图中前盖板流线只有一条圆弧的叶轮造型。文献研究了低比转速叶轮的造型。文献运用SolidWorks软件打开Maflab编程生成的叶片截面的二维脚本文件,获得轴流泵的三维造型。Matlab与SolidWorks间数据格式转换操作复杂,不利于参数化的实现,并且二维脚本随设计参数的变化而变化,可编辑性不强。

    为避开上述参数化缺陷,本文以SolidWorks软件为开发平台,通过可视化编程语言VB的程序组件,将OLE控件封装的Microsoft Excel数据库中的设计参数传输给SolidWorks软件,实现SolidWorks的打开/关闭、造型、装配、保存等操作功能。此方法可以准确、快速地建立离心泵叶轮的3D参数化实体模型,为后续离心泵的流动模拟和叶轮加工奠定坚实的基础。此参数化造型方法同样适用于其他泵或机械类产品的开发。

    1 离心泵叶轮参数化设计系统的总体设计

    1.1 开发工具的确定

    能够实现三维参数化造型的软件很多,如Pm/E、UG、CATIA、SolidWorks等,相比之下,SolidWorks具有以下特点:

    ①全中文界面、易学易用、用户多。

    ②SolidWorks为方便用户进行二次开发,提供了大量SolidWorks API函数,同时API函数也是SolidWorks的OLE/COM接口,方便用户使用高级语言对SolidWorks进行二次开发,建立适合用户需求的SolidWorks功能模块151。

    ③SolidWorks宏命令可以录制,运行SolidWorks用户界面执行的操作。将记录下来的宏用作编程的基础,大大减轻了编程工作量。

    因此,本参数化系统选用SolidWorks软件为二次开发平台。VB语言规则简单、功能全面,是较为流行的开发工具。因此,本参数化系统选用VB为SolidWorks二次开发工具。

    1.2 数据库

    考虑以下三方面的原因,本参数化系统用Microsoftoffice组件Microsoft Excel为数据库。

    ①本系统的数据库主要用于存储叶片木模图的数据信息、尺寸参量及装配点坐标,数据信息量较少。

    ②Microsoft Excel数据表拥有计算公式编辑、公式间组合和关联计算功能161。

    ③VB可视化软件提供有OLE控件,可以嵌入和链接Microsoft Excel数据表,可方便编辑数据、实现数据与程序组件间的相互传递。

    1.3 程序组件与3D建模设计

    由VB程序编写完成的程序组件,调用MicrosoftExcel数据表中的信息,并及时传递给特征模型中的尺寸驱动变量,重构零件模型,完成零件参数化虚拟装配,最终获得虚拟目标装配体。

    1.4 离心泵叶轮参数化设计系统的总体设计思路

    基于SolidWorks进行二次开发,编制VB程序组件,由界面操作输入包含叶轮、叶片设计参数的MicrosoftExcel数据表到用户界面,由程序组件中的OLE控件调用/编辑Microsoft Excel数据表。当程序组件获得建模的参数值后,驱动SolidWorks建立离心泵叶轮的3D模型,包括扭曲叶片、叶轮前/后盖板的建模及叶轮的虚拟装配。其中,驱动离心泵叶轮3D建模的尺寸参数均由MicrosoftExcel数据表获得171。离心泵叶轮参数化系统的总体设计思路如图1所示。

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    图1 离心泵叶轮参数化设计系统的总体设计思路

    2 离心泵叶轮3D建模

    2.1 扭曲叶片建模

    2.1.1 确定扭曲叶片造型方案

    离心泵叶片分圆柱形和扭曲形两种。圆柱叶片主要用于低比转速的泵,造型简单。文献『5—61讲述了离心泵圆柱叶片的三维参数化建模。扭曲叶片主要用于中、高比转速的泵,负荷小且水力性能优,被广泛应用。本文仅讨论扭曲叶片的三维参数化建模,但该方法同样适合圆柱叶片的3D参数化建模。

    扭曲叶片广泛使用保角变换法绘型获得离心泵叶片的空间形状,是复杂的空间扭曲的自由曲面,形状无法精确描述。因此,扭曲叶片的3D参数化建模是实现叶轮三维造型的关键和难点。依据泵水力设计CAD软件得到的木模图上扭曲叶片表面上离散的型值点是唯一可用于扭曲叶片造型的数据。

    传统方法采用向心参数法和弦长参数法建立叶片数学模型,再应用B样条拟合叶片曲面:利用反演计算确定叶片的控制顶点,引入贝塞尔曲面对扭曲叶片造型111-12l。这类方法计算复杂,对设计人员数学推导能力要求高,且理解难度大。

    本参数化系统采用无原型参数化建模方法,由点到线、由线到面、由面到体生成扭曲叶片¨31,即由人机交互调入设计参数,计算机执行预先编好的程序来调用设计参数,最终自动生成叶片模型。该造型方法易于理解,生成的叶片速度快、精度高、通用性好。

    2.1.2 读取,转换扭曲叶片表面型值点

    文献详细介绍了叶片木模图上叶片表面型值点(r,0,Z)的读取方法、将极坐标(r,0)转化成SolidWorks可用的笛卡尔直角坐标(X,Y,Z)的方法,这里不再赘述。本文在读取和转换扭曲叶片表面的型值点坐标时,也采用了同样的方法。




责任编辑:张纯子