基于三維cad平臺(tái)的離心葉輪參數(shù)化建模研究

基于三維cad平臺(tái)的離心葉輪參數(shù)化建模研究

離心式葉片是離心式葉片等產(chǎn)品的核心部件。它的典型應(yīng)用包括許多動(dòng)態(tài)設(shè)備，如泵、直徑渦旋渦和膨脹機(jī)。離心式葉輪屬于典型的系列化產(chǎn)品,一個(gè)系列下有多級(jí)葉輪,各級(jí)葉輪的形狀基本一樣。目前,離心式葉輪的設(shè)計(jì)制造已開始廣泛應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行三維建模。由于離心式葉輪的幾何形狀較為復(fù)雜,如果在CAD平臺(tái)上采用人機(jī)交互方式逐一地進(jìn)行三維CAD建模,將是一件十分繁瑣的工作。在CAD平臺(tái)上,采用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù),可使零件的三維建模按事先定義的方式自動(dòng)完成,從而大大減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)工作量,提高建模效率。通過實(shí)施葉輪參數(shù)化建模,也使得葉輪在設(shè)計(jì)過程中方便地進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行有關(guān)分析計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。本文就離心式葉輪三維建模的一般步驟、離心式葉輪的參數(shù)化自動(dòng)建模方案及基于SolidWorks的葉輪參數(shù)化實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行重點(diǎn)討論與分析。1solidws概述參數(shù)化建模就是采用預(yù)定義的方法建立圖形的幾何約束集,指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集相關(guān)聯(lián),并將所有的關(guān)聯(lián)式融入到應(yīng)用程序中,然后采用人機(jī)交互通過對(duì)話框修改參數(shù)尺寸,最終由程序根據(jù)這些參數(shù)順序地執(zhí)行表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)的方法。通俗地講,就是通過人機(jī)界面輸入零件(產(chǎn)品)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)后,由計(jì)算機(jī)通過事先建立的程序完成零件二維或三維設(shè)計(jì)圖(模型)的自動(dòng)生成。SolidWorks作為一種功能強(qiáng)大且易學(xué)易用的三維CAD軟件平臺(tái),在眾多工業(yè)領(lǐng)域已開始得到廣泛應(yīng)用。SolidWorks二次開發(fā)接口SolidWorksAPI支持各種建模方法的調(diào)用?；赟olidWroksAPI的參數(shù)化建模方法,根據(jù)是否應(yīng)用CAD原型模型,可分為兩種即:基于原型模型的參數(shù)化建模與無原型模型的參數(shù)化建模。1.1基于模型的產(chǎn)品模型生成所謂原型模型是指拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整定義,尺寸參數(shù)由尺寸變量定義的一種CAD模型。應(yīng)用事先建立的CAD原型模型,通過對(duì)原型模型的尺寸變量進(jìn)行賦值,以驅(qū)動(dòng)原型模型生成系列化的產(chǎn)品模型。其原理如圖1所示。這種方法首先建立符合產(chǎn)品拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的SolidWorks原型模型庫,然后通過簡(jiǎn)單地調(diào)用SolidWorksAPI進(jìn)行尺寸參數(shù)重新賦值和模型重建,即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的建模過程。這種方法雖然簡(jiǎn)單,但只適宜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定的產(chǎn)品,如各種標(biāo)準(zhǔn)件。1.2維零件產(chǎn)品模型生成這種方式參數(shù)化建模過程中,通過軟件開發(fā)工具(如VisualBasic,VisualC++),首先計(jì)算有關(guān)特征尺寸,然后調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)進(jìn)行二維草圖繪制和三維幾何元素的構(gòu)造,從而達(dá)到模型從無到有,從二維到三維,從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,并最終生成與設(shè)計(jì)參數(shù)相符的三維零件產(chǎn)品模型。實(shí)際上,這種參數(shù)化建模過程類似于CAD平臺(tái)上人機(jī)交互建模,不同的是建模過程是通過軟件開發(fā)工具調(diào)用API自動(dòng)完成罷了。實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。這種方法雖然實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜,但具有較好的通用性,適宜于零件結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜,且不具備固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品?？傊?針對(duì)不同產(chǎn)品的特點(diǎn),應(yīng)采用不同的參數(shù)化建模方法。離心式葉輪的葉片具有復(fù)雜的空間曲面特征,葉輪輪盤、輪蓋的截面輪廓也較復(fù)雜,故葉輪的幾何拓?fù)湫螤詈茈y以尺寸參數(shù)的形式直接描述,如葉片就是以流線離散點(diǎn)的形式來描述的。因此,為實(shí)現(xiàn)離心式葉輪的參數(shù)化建模,需采用無原型模型的參數(shù)化建模方法,需要通過CAD軟件的二次開發(fā)接口,調(diào)用內(nèi)部一系列API函數(shù)完成整個(gè)建模工作。2離心式葉片參數(shù)化分析2.1繪制輪盤、輪蓋、短葉片在SolidWorks平臺(tái)下,離心式葉輪三維建模的一般步驟如圖3所示?，F(xiàn)對(duì)圖中各建模步驟進(jìn)行具體分析說明:Step1利用“通過XYZ點(diǎn)的曲線”功能,從txt文件中讀入葉片中性面流線離散點(diǎn)坐標(biāo),生成若干條流線和短葉片切割線。Step2對(duì)各條流線進(jìn)行曲面放樣,生成葉片中性面。Step3繪制輪盤截面草圖,然后旋轉(zhuǎn)拉伸生成輪盤實(shí)體。Step4旋轉(zhuǎn)陣列出另一個(gè)葉片中性面。Step5用Step1生成的短葉片切割線,對(duì)其中一個(gè)中性面進(jìn)行曲面切割,生成短中性面;然后對(duì)長(zhǎng)、短中性面進(jìn)行曲面延伸,以使中性面延伸入輪蓋實(shí)體內(nèi)。這樣做的目的是保證后續(xù)加厚生成的長(zhǎng)、短葉片與輪盤實(shí)體是連續(xù)的實(shí)體連接。Step6對(duì)長(zhǎng)、短中性面進(jìn)行曲面加厚,長(zhǎng)成長(zhǎng)、短葉片。Step7對(duì)長(zhǎng)、短葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)陣列,生成所有葉片。Step8繪制輪蓋截面草圖,然后旋轉(zhuǎn)拉伸生成輪蓋實(shí)體。如果葉輪無短葉片,則Step4可省去,Step5、Step6及Step7略去短葉片的部分。如果輪盤是平頭的,則最后再增加一個(gè)拉伸切除操作,削去球頭。2.2維實(shí)體模型由圖3可知,葉輪分為葉片、輪盤和輪蓋三部分,從三維實(shí)體建模角度而言,只要確定了葉片中性面流線離散點(diǎn)數(shù)據(jù),葉片厚度等參數(shù)即可生成葉片三維實(shí)體模型;確定了輪盤和輪蓋的二維截面圖形,再構(gòu)造旋轉(zhuǎn)特征即可生成輪盤和輪蓋的三維實(shí)體模型。基于以上分析,可建立離心式葉輪參數(shù)化建模方案,如圖4所示。人機(jī)交互輸入界面部分包含葉輪參數(shù)化建模所需要的輸入?yún)?shù),體現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。葉輪自動(dòng)參數(shù)化建模部分通過調(diào)用CAD軟件提供的二次開發(fā)接口函數(shù),實(shí)現(xiàn)葉輪各特征元素(葉片、輪盤和輪蓋)程序化的參數(shù)化建模,最終形成葉輪三維模型。3離心式葉片的主要特征參數(shù)建模3.1基于api函數(shù)的系統(tǒng)建模根據(jù)圖3,建立葉片的參數(shù)化建模流程如圖5所示。圖中矩形方框代表建立特征的操作,圓角方框代表建模過程中生成的特征。通過調(diào)用相應(yīng)的SolidWorksAPI函數(shù)可實(shí)現(xiàn)矩形方框中的特征操作,通過一系列的API函數(shù)組合可實(shí)現(xiàn)葉片的參數(shù)化自動(dòng)建模。其中與方框?qū)?yīng)的幾個(gè)主要的API函數(shù)如下:讀取離散點(diǎn)數(shù)據(jù):曲面放樣:ModelDoc2::InsertLoftRefSurface2曲面延伸:ModelDoc2::InsertExtendSurface曲面切割:FeatureManager::PreTrimSurface曲面加厚:旋轉(zhuǎn)陣列:3.2截面雜草的參數(shù)化建模輪盤和輪蓋參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是,如何以截面草圖中的尺寸參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)元素,實(shí)現(xiàn)輪盤和輪蓋的自動(dòng)化參數(shù)建模。如圖6(a)所示為輪盤截面草圖,圖中的若干個(gè)尺寸描述了截面的形狀。然而,直接應(yīng)用這些尺寸值不方便在SolidWroks中實(shí)現(xiàn)截面草圖的繪制。為此,對(duì)截面草圖中的各斷點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)識(shí),如圖6(b)所示。其中P1的X、Z坐標(biāo)是中性面葉根流線中靠近葉輪出口的第一個(gè)型值點(diǎn)的X、Z坐標(biāo)。如此,以P1為基準(zhǔn)點(diǎn),依據(jù)圖6(a)中給定的尺寸參數(shù),可以計(jì)算得到圖6(b)中其它斷點(diǎn)的坐標(biāo)值。然后,以這些坐標(biāo)值為參數(shù),調(diào)用繪制直線、圓弧等SolidWorksAPI函數(shù),可以完成二維草圖的繪制。最后對(duì)二維草圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拉伸,即可生成輪盤三維實(shí)體。輪蓋的參數(shù)化建模方法與此類似。由以上敘述可以看出,輪盤、輪蓋的參數(shù)化建模分為圖形坐標(biāo)計(jì)算和三維模型生成兩個(gè)部分。前者根據(jù)截面草圖尺寸計(jì)算截面斷點(diǎn)坐標(biāo),完成截面草圖尺寸的轉(zhuǎn)換工作。后者以斷點(diǎn)坐標(biāo)為參數(shù),調(diào)用一系列SolidWorksAPI函數(shù)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的自動(dòng)生成。這樣,通過輸入輪盤、輪蓋截面草圖中的尺寸參數(shù),便可實(shí)現(xiàn)輪盤、輪蓋的參數(shù)化自動(dòng)建模。4數(shù)化建模人機(jī)交互輸入界面根據(jù)以上分析過程,采用VisualBasic作為開發(fā)工具,通過SolidWorksAPI二次開發(fā)接口,開發(fā)完成了離心式葉輪參數(shù)化建模軟件,軟件人機(jī)界面如圖7所示。葉輪參數(shù)化建模人機(jī)交互輸入界面包含以下內(nèi)容:(1)葉片中性面流線離散點(diǎn)數(shù)據(jù)包括設(shè)定流線數(shù)量、每條流線離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)。(2)葉輪結(jié)構(gòu)形式設(shè)定包括是否有輪蓋,輪盤是否有球頭,是否有短葉片,以及短葉片的切割位置。(3)葉輪基本參數(shù)包括葉片厚度、葉片數(shù)目、輪盤和輪蓋的截面尺寸。首先點(diǎn)擊“加載數(shù)據(jù)文件”按鈕讀入離散點(diǎn)數(shù)據(jù),然后設(shè)定葉輪參數(shù)選項(xiàng),并輸入如圖7所示輪盤輪蓋截面尺寸參數(shù),最后點(diǎn)擊“自動(dòng)生成”按鈕,在SolidWorks中即可自動(dòng)生成葉輪三維實(shí)體模型,如圖8所示,其中圖8(a)是有球頭有輪蓋的,圖8(b)是無球頭無輪蓋的。5葉輪參數(shù)化建模技術(shù)的應(yīng)用離心式葉輪結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜,在CAD軟件平臺(tái)下采用手工方式建立葉輪三維CAD模型是一項(xiàng)十分繁瑣的工作。實(shí)現(xiàn)葉輪參數(shù)化建模可有效克服這一困難。針對(duì)離心式葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),論文在分析了離心式葉輪三維建模的一般步驟的基礎(chǔ)上,采用無原型模型的參數(shù)化建模方法,實(shí)現(xiàn)了交互輸入葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)直接生成三維實(shí)體模型,提高了葉輪的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率,并為后