Chap6-流體機械中典型零件幾何數(shù)字化設計

1、第第6章章 流體機械中典型零件的幾何數(shù)字化設計流體機械中典型零件的幾何數(shù)字化設計主要內(nèi)容6.1幾何數(shù)字化設計軟件平臺6.2葉輪類部件的三維幾何造型6.3葉輪幾何設計的數(shù)字化建模方法6.4流體機械的其他零件三維幾何造型6.5流體機械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配 6.1 幾何數(shù)字化設計的軟件平臺幾何數(shù)字化設計的軟件平臺6.1.1 幾何數(shù)字化設計軟件的基本功能要求幾何數(shù)字化設計軟件的基本功能要求 在葉片式流體機械的三維幾何數(shù)字化設計過程中，由于涉及到復雜的雕塑曲面零部件幾何造型，零部件的裝配關系復雜，考慮到數(shù)字化加工一體化，應該采用功能強大的CAD/CAM商業(yè)軟件作為數(shù)字化設計開發(fā)平臺。選擇CAD/CAM商業(yè)軟

2、件至少應該具備有以下幾個方面的處理能力。（1）交互圖形輸入和輸出功能）交互圖形輸入和輸出功能（2）幾何造型功能和數(shù)字化裝配功能）幾何造型功能和數(shù)字化裝配功能（3）與其他應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換）與其他應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換（4）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理功能）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理功能（5）二維繪圖功能）二維繪圖功能6.1.2 商業(yè)化的幾何數(shù)字化設計軟件的發(fā)展狀況商業(yè)化的幾何數(shù)字化設計軟件的發(fā)展狀況 在在20世紀世紀70年代，開始出現(xiàn)商品化的硬件和軟件。以小型和超級小型計算機年代，開始出現(xiàn)商品化的硬件和軟件。以小型和超級小型計算機為主的為主的CAD/CAM系統(tǒng)進入市場并成為主流。如系統(tǒng)進入市場并成為主流。如Computer

3、 Vision、Intergraph、Calma、Applicon等。等。 70年代末以后，年代末以后，32位工作站和微型計算機的出現(xiàn)對位工作站和微型計算機的出現(xiàn)對CAD/CAM技術的發(fā)展起技術的發(fā)展起了極大的推動作用。了極大的推動作用。 1979年美國的年美國的SDRC公司推出了世界上第一個基于實體造型技術的大型公司推出了世界上第一個基于實體造型技術的大型CADCAM軟件軟件I-DEAS。實體造型技術是。實體造型技術是CAD技術上的第二次技術革命。技術上的第二次技術革命。 20世紀世紀80年代中期后，以工作站為基礎的年代中期后，以工作站為基礎的CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展很快，其功能系統(tǒng)發(fā)展很快，

4、其功能達到甚至超過小型機達到甚至超過小型機CAD/CAM系統(tǒng)。系統(tǒng)。 80年代末期，美國的參數(shù)技術公司年代末期，美國的參數(shù)技術公司PTC(Parameter Technology Corp)研制的研制的命名為命名為ProEngineer的參數(shù)化軟件，引起了的參數(shù)化軟件，引起了CAD技術的第三次技術革命。技術的第三次技術革命。 SDRC公司以參數(shù)化技術為藍本，提出了更為先進的實體造型技術公司以參數(shù)化技術為藍本，提出了更為先進的實體造型技術變量化變量化技術。被視為技術。被視為CAD技術的第四次技術革命。技術的第四次技術革命。6.1.2 商業(yè)化的幾何數(shù)字化設計軟件的發(fā)展狀況商業(yè)化的幾何數(shù)字化設計軟件

5、的發(fā)展狀況目前作為數(shù)字化設計與制造的主流CAD/CAM系統(tǒng)有： 美國美國UGS公司公司Unigraphics NX；美國；美國PTC公公司的司的Pro/Engineer；法國；法國Dassault公司研究開公司研究開發(fā)的發(fā)的CATIA；美國洛克希德飛機制造公司研；美國洛克希德飛機制造公司研制開發(fā)的制開發(fā)的CADAM；法國；法國Matra Datavision公公司研究開發(fā)的司研究開發(fā)的EUCLID 等。等。這些軟件都可以作為葉片式流體機械的幾何數(shù)字化設計軟件。6.2 葉輪類部件的三維幾何造型葉輪類部件的三維幾何造型6.2.1 葉輪幾何模型與其他分析模型的關系葉輪幾何模型與其他分析模型的關系 葉

6、輪設計與制造技術涉及到多學科技術的綜合應用，數(shù)字化設計與制造要求產(chǎn)品的數(shù)字化模型在各階段的分析和應用模型能夠保持信息的一致性和可重用性。 葉輪幾何設計建模應注意事項: 模型間的數(shù)據(jù)能夠重用，從而建模時可減少大量的重復性勞動，各種分析模型應能從轉輪的幾何數(shù)字化模型自動衍生。 模型間數(shù)據(jù)的一致性和可重用性，以大大減少了建模的工作量。 模型間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互操作，使有些相互密切關聯(lián)的分析過程易以交流信息。 2022-2-13西華大學 賴喜德 教授7葉輪的幾何模型與各個應用模型的關系葉輪的幾何模型與各個應用模型的關系 葉片毛坯制造葉片數(shù)控加工流場計算分析葉片三維測量葉輪結構分析葉 輪 數(shù) 字 化 設

7、計 與 制 造 中 的 模 型 及 應 用葉 輪 的 流 體 動力 學 模 型葉 輪 的 幾 何 模 型映 射機 制仿真加工毛坯生成6.2.2 葉輪的幾何設計方法葉輪的幾何設計方法 在通常情況下，混流式（離心式）葉（轉）輪由具有回轉體特征的前、后蓋板（上冠、下環(huán)）與一組葉片組成，軸流式葉（轉）輪由具有回特征的輪轂體與一組葉片組成。 回轉體特征的零件的幾何造型比較簡單，葉輪類零件的幾何設計重點在葉片的幾何造型上。由于葉輪類型不同，其葉片曲面的形狀會有所不同。 低比轉速葉輪的葉片多是直紋面，中高比轉速葉輪的葉片是雕塑（自由）曲面。采用專業(yè)采用專業(yè)“木模圖木模圖”表示來定義葉片存在的問題表示來定義葉

8、片存在的問題 傳統(tǒng)設計，采用專業(yè)“木模圖”將空間三維幾何計算轉化為二維計算，回避了葉片空間曲面的三維幾何設計和建模問題。 對于數(shù)字化設計與制造將存在以下主要的問題：葉片的葉片的“木模圖木模圖”數(shù)據(jù)不能準確地數(shù)字化定義葉數(shù)據(jù)不能準確地數(shù)字化定義葉片片不能滿足數(shù)字化幾何造型的要求不能滿足數(shù)字化幾何造型的要求不能滿足數(shù)字化設計與制造中的模型一致性要求不能滿足數(shù)字化設計與制造中的模型一致性要求6.3 葉輪幾何設計的數(shù)字化建模方法葉輪幾何設計的數(shù)字化建模方法6.3.1 葉片曲面數(shù)字化的幾何模型選擇葉片曲面數(shù)字化的幾何模型選擇 NURBS在數(shù)學和力學上有良好的保形性，而葉輪的葉片在數(shù)學和力學上有良好的保形

9、性，而葉輪的葉片由多張自由曲線曲面封閉而成。正因為如此，在葉片幾何由多張自由曲線曲面封閉而成。正因為如此，在葉片幾何建模時，一般采用建模時，一般采用NURBS作為葉片曲面幾何設計的數(shù)學作為葉片曲面幾何設計的數(shù)學模型。模型。 在實際工程中，廣泛三次在實際工程中，廣泛三次NURBS曲線來構造葉片的截面曲線來構造葉片的截面線?；诮孛婢€族的蒙皮法構造曲面線?；诮孛婢€族的蒙皮法構造曲面6.3.2 葉片曲面原始數(shù)據(jù)參數(shù)化葉片曲面原始數(shù)據(jù)參數(shù)化 為了反求葉片的為了反求葉片的NURBS曲面數(shù)字化模型，必須進行參數(shù)曲面數(shù)字化模型，必須進行參數(shù)化，通過參數(shù)化反求控制頂點?；ㄟ^參數(shù)化反求控制頂點。 葉片曲面

10、的原始數(shù)據(jù)及其參數(shù)化對于構造的葉片曲面的準葉片曲面的原始數(shù)據(jù)及其參數(shù)化對于構造的葉片曲面的準確性和光順性起決定性的作用。確性和光順性起決定性的作用。 葉片曲面的參數(shù)化對于葉片的設計修改、數(shù)字化加工中的葉片曲面的參數(shù)化對于葉片的設計修改、數(shù)字化加工中的刀位軌跡計算、分析模型的離散網(wǎng)格化等有直接關系。對刀位軌跡計算、分析模型的離散網(wǎng)格化等有直接關系。對于葉片曲面采用截面線族為參數(shù)線的于葉片曲面采用截面線族為參數(shù)線的蒙皮曲面構造法蒙皮曲面構造法，為，為了滿足葉片的流體動力學性能和加工性能，截面線應與流了滿足葉片的流體動力學性能和加工性能，截面線應與流線一致。曲面數(shù)據(jù)點的參數(shù)化應以截面曲線數(shù)據(jù)點的參數(shù)

11、線一致。曲面數(shù)據(jù)點的參數(shù)化應以截面曲線數(shù)據(jù)點的參數(shù)化為基礎?；癁榛A。 在實際工程中，葉片曲面的原始數(shù)據(jù)主要有以下三個來源：從第1章所述的流體動力學設計中計算出沿流面截面線的沿流面截面線的三維坐標點集三維坐標點集，在此種情況，在流體動力學數(shù)字化設計時已較好地考慮了原始數(shù)據(jù)的均勻分布性問題。以葉片以葉片“木模圖木模圖”的水平截面線定義的葉片的水平截面線定義的葉片，這種方式在水輪機制造業(yè)現(xiàn)今仍被廣泛采用，這種描述方式作為傳遞葉片曲面數(shù)據(jù)將在國內(nèi)可能會相當長的時期內(nèi)存在。從實物模型測量，通過三維坐標測量葉片曲面上的點集三維坐標測量葉片曲面上的點集，其測量方式有三坐標接觸式測量和三維非接觸式光學測量等

12、。 葉片的原始數(shù)據(jù)的分布合理性和均勻性不僅決定了構造出的葉片曲面準確性和光順性，而且也關系到為數(shù)字化設計與制造要求衍生出的各功能模型的質量。 對于方式的情況，可直接按沿流面截面線上的三維數(shù)據(jù)點進行參數(shù)化，先用NURBS對沿流面的截面線族進行曲線造型，然后采用基于沿流面的截面線族的蒙皮曲面構造法進行葉片造型。 對于方式、則必須對原始數(shù)據(jù)進行預處理，以保證構造出的曲面的準確性和光順性，使得保持與方式有同樣的葉片原始曲面數(shù)據(jù)結構。對于方式情況，在要求的精度下反求出曲面，求出近似于沿流面的截面線族，再按類似的要求重構。6.3.3 葉片的三維幾何造型葉片的三維幾何造型（1）混流式葉片）混流式葉片在進行葉

13、片幾何造型過程中，首先要將葉片曲面在進行葉片幾何造型過程中，首先要將葉片曲面體合理分成多張曲面的組合，以便準確模擬出葉體合理分成多張曲面的組合，以便準確模擬出葉片曲面體。片曲面體。其次根據(jù)葉片上各張曲面的特點，選擇適合的造其次根據(jù)葉片上各張曲面的特點，選擇適合的造型方法，以便能準確定義和反映實際工程的要求。型方法，以便能準確定義和反映實際工程的要求。還要考慮曲面造型的誤差控制、曲面的裁剪、延還要考慮曲面造型的誤差控制、曲面的裁剪、延拓、求交、曲面的幾何計算分析等曲面運算要求。拓、求交、曲面的幾何計算分析等曲面運算要求。 沿流面的葉片截面線簇沿流面的葉片截面線簇蒙皮構造葉片正面、背面蒙皮構造葉片

14、正面、背面不帶坡口的葉片不帶坡口的葉片帶破口的葉片帶破口的葉片（2）軸流式葉片）軸流式葉片軸流式水輪機葉片是由帶球面的法蘭和多張雕塑曲面組成的曲面零件，軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭與正、背面的過渡曲面等構成。在流體動力學設計中，其流面通常為圓柱面，葉片正背面是按在圓柱坐標系下給出的型值點。 帶裙邊的葉片帶裙邊的葉片不帶裙邊的葉片不帶裙邊的葉片 （3）葉輪）葉輪混流式水輪機轉輪混流式水輪機轉輪軸流式水輪機轉輪軸流式水輪機轉輪雙吸離心泵葉輪雙吸離心泵葉輪6.3.4 葉片的幾何計算和曲面性態(tài)分析葉片的幾何計

15、算和曲面性態(tài)分析 幾何參數(shù)計算包括弧長、面積、體積、型心等。 幾何求交計算包括了葉片的截面線、葉片的真實厚度和轉輪的開口計算等，這些可歸結為直線與曲面求交、平面與曲面求交、曲面與曲面求交等。 曲率是進行葉片曲面性態(tài)分析的主要指標，葉片的光順準則建立需要計算曲率，葉片加工的刀具軌跡規(guī)劃需要根據(jù)曲率分布情況來確定方法。在刀具軌跡計算時，為了避免加工過程中發(fā)生過切，要判斷在刀觸點（CC: Cutter Contact）的曲 面的曲率半徑是否大于刀具的有效曲率半徑。 （1）葉片截面線的曲率和撓率）葉片截面線的曲率和撓率（2）葉片曲面的幾何參數(shù)計算）葉片曲面的幾何參數(shù)計算（3）曲率及曲面的局部性態(tài)分析）

16、曲率及曲面的局部性態(tài)分析（4）葉片真實厚度和轉輪葉片開口計算）葉片真實厚度和轉輪葉片開口計算（5）葉片的截面線計算）葉片的截面線計算6.4 流體機械的其它零件三維幾何造型流體機械的其它零件三維幾何造型 在葉片式流體機械中，除葉輪類型零部件外，還有一些過流部件，如：蝸殼、導葉、頂蓋、底環(huán)、尾水管等。這類零部件具有過流曲面，過流表面的曲面造型數(shù)據(jù)從過流部件的流體動力學設計而來，應首先完成過流表面的曲面造型，再進行其他部分的幾何造型。 下面將結合水輪機部分典型零件的結構，簡單介紹其三維幾何模型建立方法。 6.4.1 以特征造型為主的零部件造型示例以特征造型為主的零部件造型示例底環(huán)底環(huán)水輪發(fā)電機軸水輪發(fā)電機軸連桿連桿6.4.2 以自由曲面為主的零件造型示例以自由曲面為主的零件造型示例蝸殼內(nèi)表面蝸殼內(nèi)表面活動導葉活動導葉6.5 流體機械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配流體機械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配 流體機械產(chǎn)品是由多個零部件裝配而成的。為了評價所設計的產(chǎn)品性