（固体力学专业论文）核电站混凝土蜗壳循环泵水力模型中叶轮工作曲面的优化设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 离心泵是核电站整体装置的一部分，作为能源消耗的动力机械，其工作性能、 效率将直接影响到核电站的工作效率。本文将流体机械与力学学科有机的结合在 一起，通过模型泵的实验，对离心泵叶轮内部流场的数值计算与分析，为离心泵 优化设计提供准确的基础，再利用力学中的有限元模型对优化叶轮的分析与验 证，设计出水力性能优异的叶轮。 首先根据所设计叶轮的二维平面图，运用p r o e n g i n e e r 软件画出叶轮的初 始模型。然后对其自行研发的离心泵进行在不同工况下测定稳定工况点的性能试 验情况。通过试验数据的分析、计算，绘出泵的性能曲线和装置特性曲线，从而 确定水泵的稳定工况点。其次在上述建立好的叶轮模型的基础上，设计出以泵的 能量损失( 机械损失、容积损失和水力损失) 最小为目标函数，以叶轮叶片出口 宽度、叶片进口安放角和出口安放角为设计变量的模型泵叶轮工作曲面的优化模 型及优化计算方法。通过优化计算，获得了新的满足一定扬程和流量的最优设计 参数组合。最后，分别对初始模型和优化模型建立有限元模型，然后通过a n s y s 对原始模型和优化模型进行静力分析，得出两组模型在有无水压的情况下的位移 云图和应力云图，通过数据的分析和比较，表明文中提供的模型是可靠的。 本文的研究方法将对复杂的旋转机械设计有积极的指导作用。 关键词：叶轮；模型；目标函数；变量；优化设计；有限元；云图 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m pi san u c l e a rp o w e rp l a n ta sp a r to ft h eo v e r a l ld e v i c e ，e n e r g y c o n s u m p t i o na sad r i v i n gf o r c ef o rt h em a c h i n e r y ，t h e i rw o r kp e r f o r m a n c e ，e f f i c i e n c y w i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h ee f f i c i e n c yo fn u c l e a rp o w e rp l a n t s i nt h i s p a p e r ， m e c h a n i c a la n df l u i dm e c h a n i c s d i s c i p l i n e sc o m b i n eo r g a n i c ，p u m pt h r o u g ht h em o d e l e x p e r i m e n t ，t h ei n t e r n a lf l o wf i e l di nc e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e ro ft h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，o p t i m a ld e s i g nf o rt h ec e n t r i f u g a lp u m pt o p r o v i d ea n a c c u r a t eb a s i s ，r e u s em e c h a n i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e i m p e l l e r o nt h e o p t i m i z a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ea n a l y s i s ，d e s i g no fh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo ft h e i m p e l l e r f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h eb a s i so ft w o - d i m e n s i o n a ll a y o u td e s i g no ft h e i m p e l l e r ，u s eo fp r o e n g i n e e rs o f t w a r et od r a wt h ei n i t i a lm o d e lo ft h ei m p e l l e r a n d t h e np u m pi t so w nr dc a r d e do u tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n si nt h ed e t e r m i n a t i o n o fs t a b i l i t yc o n d i t i o n so ft h ep e r f o r m a n c et e s t p o i n t s t h r o u g ht h ea n a l y s i s o f e x p e r i m e n t a ld a t aa n dc a l c u l a t i o n ，d r a wt h ep u m pp e r f o r m a n c ec u r v ea n dt h ed e v i c e c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，t od e t e r m i n et h es t a b i l i t yo fp u m po p e r a t i n gc o n d i t i o n s f o l l o w e db yt h ee s t a b l i s h m e n to fg o o di m p e l l e ri nt h ea b o v e m e n t i o n e dm o d e l ， d e s i g n e dt oo p t i m i z a t i o nm o d e lo fi m p e l l e rp u m p sw o r ks u r f a c ea n do p t i m i z a t i o no f t h ec a l c u l a t i o nb yp u m pt h ee n e r g yl o s s ( m e c h a n i c a ll o s s ，v o l u m el o s sa n dw a t e rl o s s ) a st h eo b j e c t i v ef u n c t i o nm i n i m u m ，a n dt oe x p o r tt h ei m p e l l e rb l a d ew i d t h ，b l a d ea n g l e o fi m p o r t sa n de x p o r t sp l a c e dp l a c e da n g l ea sd e s i g nv a r i a b l e s c a l c u l a t e d b y o p t i m i z i n g ，g e tan e wh e a da n df l o wt om e e tac e r t a i no p t i m a lc o m b i n a t i o no fd e s i g n p a r a m e t e r s f i n a l l y , e s t a b l i s ht h ei n i t i a lm o d e la n do p t i m i z a t i o nm o d e l sf i n i t ee l e m e n t m o d e l ，a n dt h e nt h r o u g ht h ea n s y s t ot h ei n i t i a lm o d e la n do p t i m i z a t i o nm o d e lf o r s t a t i ca n a l y s i s ，g e tt w om o d e l sc o m ew i t ho rw i t h o u tw a t e rp r e s s u r ei nc a s eo f d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sc l o u d ，t h r o u g hd a t aa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，s h o wt h a tt h e m o d e li st op r o v i d er e l i a b l e i 江苏大学硕士学位论文 r e s e a r c hm e t h o d si nt h i sa r t i c l ew i l lb er o t a t i n gc o m p l e xm e c h a n i c a ld e s i g nh a s ap o s i t i v er o l ei ng u i d i n g k e yw o r d s ：i m p e l l e r ；m o d e l ；o b j e c t i v ef u n c t i o n ；v a r i a b l e s ；o p t i m a ld e s i g n ； f i n i t ee l e m e n t ；n e p h o g r a m ； 独创性申明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本文完全意识 到本文申明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 、 多 嗍q 年厶月匕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 学位论文作者签名：多之卅 1 年多月厶日 指导教师签名：莎参。彤 1 刈川日 书权授用适后密翟中台册年在 叭 属 密文密忿屎论保保位不 学本 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 江苏省科技攻关项目，项目编号：b e 2 0 0 6 0 8 4 ，项目名称：长轴液下离心泵 关键技术开发及产业化 1 2 本文研究概述 1 2 1 本文研究意义 离心泵是国民生产中应用最为广泛的流体机械之一，而且随着生产力的发 展，其应用范围也正在迅速扩大，作为能源消耗的动力机械，其工作性能、效率 将直接影响到国家能源的利用率。为了满足用户对离心泵的高负荷、大流量、高 效率、低噪声和小体积的要求，生产厂家正逐步采用高科技手段对离心泵进行研 究和设计。叶轮作为能量转换的重要部件，其性能直接影响着离心泵的工作性能， 因此，研发出优秀的叶型以及对以往叶型的优化改型设计都具有极其重要的理论 意义和应用价值。近些年来，随着计算流体力学( c f d ) 的发展，以及高速、大容 量的计算机相继出现，离心泵叶轮内三元流动分析、计算己逐渐成为研究的主流 方向，这也使得设计研究人员能够更好的将正反问题结合在一起，设计出具有良 好水力性能的离心泵叶轮。 目前在我国离心泵设计研究领域，主要存在以下两个方面的问题： ( 1 ) 随着生产技术的不断进步，设计制造人员对离心泵c a 功，c a m 的要求 越来越高，目前工程中大多采用木模图来表达离心泵叶轮叶片、控制叶片的加工 精度和测量精度，然而在计算机辅助设计和制造技术广泛应用的今天，木模图的 不足凸现出来。首先，无法直接把木模图引入到计算机辅助设计和制造系统中， 这使设计加工人员不能有效地利用以往优秀的水力模型；其次，在利用木模图进 行优化改型时，其烦琐、设计周期长以及没有很好的交互性的缺点，也制约了优 化改型的发展；最后，由于木模图大多依赖于手工，设计周期较长，计算精度较 低，这些都将影响到叶轮的设计和制造质量。 ( 2 ) 目前我国使用的泵当中，尚存在运行效率较低、汽蚀性能差、特性曲 线不稳定等问题。如何提高泵的效率、增强泵的汽蚀性能、改善泵运行稳定性就 江苏大学硕士学位论文 成为广大殴计人员所要解决的 要问题。目前，随着计算机水平的飞速发展 c f d 分析技术越来越受到设计人员的青睐，设计理论也从原柬的元、二元理 论发展到三兀理论，离心泵叶轮内三元流动数值计锌、分析己成为可能，这使得 设计人员可咀通过流场分析的结果束修改设，最终获得水力性能优异的叶轮叶 片。 由上述t 见，积极发展离心泵c a d c a m 技术以及c f d 分析技术，对丁离 心泵的设计制造、优化改犁都将起到重要作崩。从而对奉课题的研究起到不i l r 忽 略的作用。 1 22 本文研究目的 e 露鬟，e ；j e g - c 二_ ：_ _ _!d 辩 国1 1 m a i a e y a r & c e 桩电站剖面图解 f i 9 1 1g r a p h i c p r o f i l e so f m a i n e y a n k e en u c l e a r p o w e r p l a n t ( 1 ) 目顶w 护* 壳 ( 2 ) 接托箍生( 3 ) 变电( 4 j 月轮机庙 ( 5 】涡轮机 ( 6 ) 琏接“高爪电h( 7 ) 变#( 砷瑷拜燃料池( 9 ) 加j i 、g( 1 砷反施堆窖# 0 1 ) 救n 路0 2 ) 次州辟 ( 1 3 ) 件凝#( 1 4 ) 连接海湾的管道 上图1l 为m a i n ey a n k e e 核电站剖而罔觯”，f 图12 是核电站原州d i 意圈， 通过两幅幽，我们可以看出。水泵装簧在整个核电站装置中发挥巨大的作用，它 不仪起到传递热能的作“j ，而“也起到降低温度和分解发射性物质的作用。侣足， 应该清醒地看到，在现役泵装置中，大多数的水泵效术偏低，因此，提高水泵效 率，降低运行管理费用，足水泉装置设计和技术改造中啦需解决的问题。在提高 水泵效率方面，首要问题当推水泉的研究与外发，而在核电装置中，因为循环泵 中叶轮受到放射性流体的压迫和侵蚀比较严蘑，所咀非常有必要对叶轮的工作曲 面进行优化设计完成优化设计可以提高叶轮的工作敏率，从而提高整个核电站 的运行时间，增加发电量，使国家和群众同时受益”1 。 鲻 江苏走学硕士学位论五 m m mp ，：c ! i 3 1 囤12 桩电站原理示意国 n 9 1 2 s c h c r o a t i e p r i n c i p l co f n u c l e m p o w e r p l a n t s 13 离心泵优化设计的发展现状 1 j 1 离心泵优化设计方法 随着科学技术的发展，许多领域对高性能的流体机械需求越来越迫切。在流 体机械设计领域，传统的设计方法己不能很好的满足设计的需要，必须聚用现代 设计理论和方法。优化设计是当前水泉设计中最感兴趣的问题之，也足实现泉 优良性能的主要措施。 水泵优化设训方法是将水泵的基本流动理论与计算流体力学和优化方法等 结合在一起，主要从考虑水力损失最低着手，在保证效率最高的条件f 司求不 同的流动和几何参数的组合。优化设计是6 0 年代才发展起来的门新技术，借 助计算机对整个机械学科产生了 分深刘的影响，并且己在工程实际中得到了很 好的应用。目前，它在泵行业的应用起步不久是今后泵行业发展的丰耍方向。 l 速度系数法优化设计 速度系数浊足泉设计中常片j 的方法，通过对已有模型进行归纳统计而得。h 时已有一批经过优化了的先进水力模型，如【b 型、i s 型、w b 型和b p 型等泵模型。 训算机技术的发展和应用给速度系数法优化设计带来了方便，人们建立了优秀水 力模型库，町随时吸收先进模型入库，及日j 优化各种速度系数，跟随当前水泵的 先进水平，其小足是所设计泵的性能难以超过现有水平。 2 损失极值法优化设计 如何提高泵的效率，历柬足水泵工作者们的重要课题。而效率是与损失紧密 联系的，最高效率应泼与最小损失相对应。冈此，优化设训的一种思路自然便是 建证各种损失幽与泵的几何形状之间的关系”，即： 江苏大学硕士学位论文 曩= z ( _ ，恐，_ ，x n ) ( i = 1 ，2 ，m ；j = 1 , 2 ，1 ) 总损失为： 羔她= 羔z ( 五，w 一，_ ，) i = 1i = 1 这种优化方法是在保证设计工况点要求的扬程日与流量q 的条件下，通过 五、而、毛的不同组合，使得总损失取得最小值，被称为损失极值法。这 种方法在获得高效离心泵性能方面是较为成熟的，也是应用最普遍的。但它也有 不足之处。因为从理论上讲，每一项具体损失的计算是难以准确估计的：其次， 在实际优化过程中除了优化设计变量外，其它参数就需按经验赋值，这又加大了 优化设计的局限性。另外，上式只强调了损失与有关几何参数之间的关系，而忽 略了叶轮流道形状、前后盖板形状和叶片形状等对离心泵性能的影响，因而也有 其局限性。 3 基于c f d 分析的离心泵优化设计 计算流体力学( 简称c f d ) 近几年迅速的发展，使得其越来越受到重视。多种 通用大型的商业软件如c f x t a s c f i o w ，f l u e n t h 5 l ，s t a r - c d ，c f d 2 0 0 0 ，p h o e n i c s ， n u m e c a 等相继面世，其应用已从最初的航空领域扩展到离心泵在内的多个领域。 同时，计算流体力学已从定性分析发展到定量计算，己逐渐成为c a d 系统中的一 个重要组成部分。在泵c f d 方面，由于国内外使用的是相同的商品化软件，所以 水平与发达国家相当。但是与国外相比，在流动计算和试验结果的分析方面与国 外有一定的差距，主要表现在流动物理规律的总结与提炼、实验结果与计算值之 间的相互印证两个方面1 。c f d 方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值模 拟试验、流动诊断等功能n 3 。采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够 很好的在图纸设计阶段预测流体机械的性能和内部流动产生的漩涡、二次流、边 界层分离、尾流、叶片振动等不良现象，力求将可能发生故障的隐患消除在图纸 设计阶段。 c f d 分析技术的优化设计的基本思想是睛，9 。：根据c f d 分析的结果，调整叶轮 的几何参数，使得叶轮内的流态接近理想流态，即：从叶轮进口到出口压力 均匀；叶轮叶片进口边压力有足够的空化裕量，这意味着叶轮将有较好的空 化性能；尽量小的二次回流，因为二次回流意味着损失。 影响叶轮内流态分布的几何参数主要包括：叶片出口边的形状：前盖板和后 盖板的曲率；叶片的倾斜角及其在流线方向上的曲率。在流场的分析结果中，从 4 江苏大学项士学位论文 叶片进口到出口的压力分布反映了叶片上载荷的分配，漩涡的大小和位置反映了 叶片设计的合理性。通过修改叶轮的几何参数，我们可以得到理想的叶片几何形 状，进而得到水力性能优异的叶轮。 1 3 2 离心泵数值计算的发展 叶轮是离心泵内部的一个关键过流部件，其设计的好坏将直接影响到整个离 心泵的性能，目前，随着计算机水平和c f d 技术的不断提高，对叶轮内部流场 进行数值计算、模拟已成为可能，而且对叶轮内部的流动分析和研究有利于提高 离心泵的效率，改善离心泵性能，对于我国泵行业的发展具有非常重要的意义。 在目前流体机械研究领域，用于分析和认识流体机械内部流动理论的研究方 法主要有三种：理论分析、实验研究和数值模拟n 们。理论分析是最早也是最基本 的方法，它能深入的认识到现象的本质规律，同时也是实验研究和数值模拟分析 的基础。由于流体机械内部流动十分复杂，各种因素的相互作用使得理论分析不 能顾及到全部因素，因而单靠理论分析的方法对流体机械内部流动进行研究远远 不能满足工业工程的需要。因此实验研究成为早期研究流体机械内部流动的另一 种重要方法。实验研究通过对产品模型进行测试分析，能综合考虑到影响流动的 各种因素，结果客观可靠。但实验研究面临着设计周期长、投资大，数据精度和 可靠性受测试仪器和环境的制约和影响，对流场的整体分析能力和细微流动机构 的分析能力有限。与实验研究不同，数值模拟( c f d 技术、) 是近些年发展出的一种 崭新、强大而有效的研究工具，因其投资小、研究周期短和精度易于提高等特点， 迅速成为一种研究流体机械内部流动的有效方法，己广泛应用于各种流体机械内 部流动的研究中，成为改进和优化叶轮设计的一个重要手段。 由于理论分析与实验研究在研究复杂流动时存在很多困难，随着计算机技术 的迅速发展，数值模拟正逐步成为研究叶轮内部流场的主流研究方法。而将数值 模拟与理论分析和实验研究有机的结合在一起就成为现阶段最为理想、最为有效 的研究方式。随着流体机械设计理论的发展，数值模拟使得人们对流体机械过流 部件内部的流动分析和模拟更加准确和可靠，使得设计人员求解流体机械叶轮内 部的复杂三维粘性流动成为可能。 近年来随着计算流体力学( c f d ) 技术的发展，离心泵叶轮内紊流计算也得到 了长足的发展，而且随着大型商业软件的出现，我国在叶轮内部流动数值模拟方 面也正在一步步接近世界水平，这也为设计研究人员研发新的叶轮、修改旧的叶 5 江苏大学硕士学位论文 轮提供了强有力的支持，对提高泵的各项性能给予理论支持。 林汝长1 等采用s 1 和s 2 相对流面理论对水泵水轮机叶轮流动进行了准三维 计算，其方法是：用附着涡来代替叶片的作用，引用薄翼理论，用奇点法求解 s 1 流面上的流动；用流线迭代法求解s 2 流面上的流动，这两类流面的计算是相关 的，s 1 流面上形状和厚度要靠s 2 流面上流动计算来确定，而s 2 流面上的相对速 度和叶片安放角等取决于s 1 流面上跨叶片流动的解。 j a n s e n 和k i r s c h n e r n 2 1 针对离心叶轮的设计，提出了应用流线曲率法进行s 2 流面反问题计算的给定荷载( w s w p ) i 爱计方法，首次提出了通过控制叶轮内流场来 设计扭曲叶片，再利用流动计算来修正叶片形状的设计方法。 苗永森、王尚锦n 在j a n s e n 设计思想的基础上，建立了通过对叶轮内全流 场的控制来设计叶片的“全可控涡”设计方法，也就是控制k ，分布以得到期望 的叶片形状，并且与s 2 流面上的流动分析和损失预估相结合进行叶片的初选。 b o r g e s n 耵不可压缩理想无旋无厚度平面叶栅的设计方法应用到低比速离心 叶轮全三维设计中。设计过程中认为叶片是无限薄的，由于边界不是矩形边界， 在采用有限差分法处理边界时，采用了边界适应坐标系统。 b o r g e s n5 1 不可压缩理想无旋无厚度平面叶栅的设计方法应用到低比速离心 叶轮全三维设计中。首先，用无粘性流动计算得出叶轮内的三维压力场；其次， 加上一个粘性模型和一个粘性壁面条件模型，这样即可构成三维粘性流动的计算 程式。其中紊流粘性模型其实是关于边界层尺度的混合长度模型。 t a n a b e 等n 们在1 9 8 6 年采用原始变量法，用有限元方法进行离散，数值计算 了离心泵叶轮内的三维紊流。紊流模型采用的是r 一占模型，其预报的结果与自 己实测的数据有定性的不同。 吴景春n 也应有限元方法对离心泵叶轮进行了设计，但设计中仅给出进出1 2 的，分布，叶轮区的k ，分布由s l 流面计算确定。与流线曲率法相比，应用有 限元计算更为稳定，并且对于各种形式的流道均适用。 e w a l ds t e c k 等n 胡在1 9 8 9 年采用速度一涡量方法，用有限差分法离散，数值 计算了离心泵叶轮内部三维层流流动，结果相当满意。 戴江n 鲫乜们采用s i m p l e c 方法求解了离心泵叶轮中不可压流体的三维固液两 相紊流，采用了流体相r s 紊流模型加上颗粒相的k 一方程模型求解了固一液 两相紊流。 李海峰、吴玉林阳以时均n s 方程和标准k e 模型为基础，在贴体坐标系中 6 江苏大学硕士学位论文 运用s i m p l e c 算法在设计工况和非设计工况下对两种离心泵叶轮内部三维紊流 进行计算。计算得到了两种叶轮内的流速、压力场分布。预估了水力效率，并与 效率试验值进行了比较。计算结果表明，三维扭曲叶片叶轮在各方面性能等方面 均优于圆柱叶片叶轮。 从上面可以看出，离心泵叶轮内数值模拟、计算的发展相当活跃，还有很多 研究人员对此做出了贡献。现阶段我国在离心泵紊流计算方面己经取得了一定的 理论积累和成功的经验，正朝着实用化、产品化的方向发展，数值模拟技术将成 为研究离心泵内部复杂流动的有效而强大的工具，将成为离心泵行业发展的原动 力。 r 1 4 本文工作 通过参考前期工作者的研究成果，我们知道要想提高核电站中泵站局部的工 作效率，有两种方式：一、加强整个装置的密封性，二、增加整个机组的使用率。 本文主要是通过优化循环泵中叶轮的工作曲面来增加主循环泵的使用率，从而达 到提高整个泵站的工作效率的目的。工作的主要内容有： 第一章绪论 本章阐述了离心泵优化设计的研究现状，本课题的来源及研究的目的和意 义，本课题研究的概况，简要的介绍了本论文研究的主要内容。 第二章核电站循环泵的三维造型 本章主要介绍了p r o e n g i n e e r 的一些功能，然后根据所设计叶轮的二维平 面图，画出叶轮的初始模型。 第三章核电站循环泵稳定工况点的测定 这一章主要是设计实验步骤，然后进行实验，通过对实验所得实验数据进行 分析和处理，绘制泵的特性曲线和装置特性曲线；再根据理论计算，从而确定循 环泵的稳定工况点。 第四章循环泵叶轮的优化方案及运行结果 本章先介绍了几种离心泵优化设计模型，然后在上述建立好的叶轮模型的基 础上，以泵的能量损失( 机械损失、容积损失和水力损失) 最小为目标函数，以 叶轮叶片出口宽度、出口角以及叶轮进口宽度、出口角为设计变量的泵叶轮的优 化设计模型及优化计算方法。通过优化计算，获得了新的满足一定扬程和流量的 最优设计参数组合。 7 江苏大学硕士学位论文 第五章循环泵叶轮的优化模型及验证结果 此章根据上述的优化结果，运用p r o e n g i n e e r 软件重新绘制叶轮的三维模 型，即优化模型。然后通过a n s y s 对优化前的模型和优化后的模型进行静力分析， 得出两组模型在有无水压的情况下的位移云图和应力云图，通过数据显示，我们 的优化是成功的。基于所给出的结果，可望提高核电站循环泵装置的工作效率。 第六章结论与展望 这章归纳了本论文的研究工作，并指出来一些需进一步深入解决的问题。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章核电站循环泵的三维造型 2 1 p r o e n g in e e r 的简介 p r o e n g i n e e r 软件瞳2 1 系统是美国参数化技术公司p t c ( p a r a m e t r i c a t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 的优秀产品，整个系统程序模块的设计是以v i s u a lc + + 6 0 作为丌发平台，它提供了集成产品的三维造型设计、加工、分析及绘图等功 能完整的c a d c a e c a m 解决方案。该软件以使用方便、参数化造型和系统的全相 关性而著称。目前p r o e n g i n e e r 软件在我国的机械、电子、家电、朔料模具、工 业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等行业取得了广泛的应用，该软件在 国内的应用数量大大超过了同类型的其它国外产品。p r o e n g i n e e r 可谓是个全方 位的3 d 产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、n c ) 日i 工、钣金 件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、 产品数据管理于一体，其模块众多。主要有以下六大主模块组成：工业设计( c a i d ) 模块、机械设计( c a d ) 模块、功能仿真( c a e ) 模块、制造( c a m ) 模块、数据管理( p d m ) 模块、数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块。这里将介绍一下p r o e n g i n e e r 的 主要特性： ( 1 ) 相关性( f u l la s s o c i a t i v i t y ) 相关性是指所有的p r o e n g i n e e r 的功能相互关联。这就意味着在产品开发过 程中，用户任何时候所作的变更，都会扩展到整个设计中，同时自动更新所有工 程文档如部件、加工以及产品信息管理等。全相关性鼓励在鼓励在丌发周期的任 一点进行修改却没有任何损失一并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的 一些功能提前发挥作用。 p r o e n g i n e e r 系统开发环境最突出的特点就在于它能够支持并行工程，通过 一系列足以表现外形、装配性能的相关性的解决方案，可以让用户同时在几个技 术领域处理一个产品模型。这些能力包括造型设计、机械设计、功能设计、加工 以及产品信息管理等。 p r o e n g i n e e r 提供的参数化设计的最大特点就是单一数据库( s i n g l e d a t a b a s e ) 。p r o e n g i n e e r 配合单一数据库，所有设计过程所使用的尺寸( 参数) 都存在数据库中，修改c a d 模型及工程图不再是一件难事，设计者只需更改3 d 零 9 江苏大学硕士学位论文 件的尺寸，则2 d 工程图就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，同样修改2 d i 程 图的尺寸其相关的实体模型也会修改，同时装配、制造等相关设计也会修改，这 样可确保数据的正确性，达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏 情形，且减少许多人为改图的时间和精力的消耗。也正因为有参数式设计，用户 才可以运用强大的数学运算方式，建立个尺寸参数间的关系式使得模型可自动计 算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐费时，并减少错误发生。 ( 2 ) 基于特征的参数化建模( f e a t u r e - b a s e dp a r a m e t r i cm o d e li n g ) 参数化设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改 参数的数值来更改零件的外形。参数化设计的思想在工业界传播了许多年，1 9 8 8 年，p r o e n g i n e e r 以参数化设计思想问世以后，业内人士即对参数式设计c a d c a m 的思想翘首以待。p r o e n g i n e e r 对于传统机械工作来说，有相当大的帮助作用， 因为p r o e n g i n e e r 中参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并且具有实质上的 物理意义。例如我们可以运用系统参数( s y s t e mp a r a m e t e r s ，如体积、表面积、 重心、三维坐标等) ，或用户依设计流程所定义的用户定义参数( u s e rd e f i n e d p a r a m e t e r s ，如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符串) 加入设计构思中来 表达设计思想。这项参数化设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便 捷性推进了一大步。 ( 3 ) 数据管理( d a t am a n a g e m e n t ) 为了在最短的时间内完成最多的开发工作，必须允许多个学科的工程师同时 对同一产品进行开发。p r o e n g i n e e r 数据管理功能可以管理并行工程所要求的并 行作业程序，并通过全相关性达到并行工程的目的。 ( 4 ) 装配管理( a s s e m b l ym a n a g e m e n t ) p r o e n g i n e e r 能够让用户使用贴合( m a t e ) 、插入( i n s e r t ) 、对齐( a 1 i g n ) 等 直觉式指令，轻松装配零部件，保持设计意图，达到设计目的。而高级的功能则 支持大型复杂装配体的创建与管理，并且零件数目不受限制。 ( 5 ) 工程数据库重用( e n g i n e e r i n gd a t ar e u s e ，e d r ) 工程数据库重用就是为了达到大幅提高生产力、降低成本的目的，而以标准、 公认的设计作为新产品设计的基础，它能够让用户快速开发整个产品系列。 1 0 江苏大学硕士学位论文 p r o e n g i n e e r 的基本结构使e d r 易于实现。随着将来几代产品的创建，会发现从 p r o e n g i n e e r 中获得的益处将大大超过最初的投资。 ( 6 ) 易用性( e a s eo fu s e ) p r o e n g i n e e r 独有的自动导引菜单为用户提供了使用方便的选项，也可以预 定选定最常用的功能。此外，系统还提供了简短的功能菜单说明和完整的在线帮 助。这些都使得p r o e n g i n e e r 具有非常的易用性。 ( 7 ) 硬件独立性( h a r d w a r ei n d e p e n d e n c e ) p r o e n g i n e e r 可以在u n i x 和w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 n t x p 平台下运行，并在每个系 统中都维持相同的界面，使用的感觉也一样。用户可以根据自己的需求，选购最 经济的硬件配置，再混用或搭配任何一种平台组合。由于p r o e n g i n e e r 可以运行 在不同环境中，具有独特的数据结构模式，因此可以方便地让信息在不同平台的 机器之间相互转换。 2 2 循环泵叶轮三维造型 2 2 1 叶轮扭曲叶片参数化实体造型方法 利用p r o e n g i n e e r - - - 维造型软件对叶轮进行三维造型乜射，对于不规则曲面的 造型，p r o e n g i n e e r - - 般采用读入点的空间坐标来造型，或是采用截面相交截除 法，也就是利用几个空间体相交所得的交集来得到所要绘制的三维立体图。本文 采用读入数据库的点来进行三维造型乜4 1 。p r o e n g i n e e r 软件支持4 种点文件格式， 分别为：i b l 、i g s 、v d a 、p t s 。本文在造型中采用i b l 文件格式，通过对设 计的叶轮平面投影图和翼形图的平面坐标( 图2 1 ) 的空间转化，可以得到多组三 维空间点坐标，对其进行编辑写成p r o e n g i n e e r 可执行的i b l 格式文件。 文件名称为i m p e l l e r i b l ： o p e na r c l e n g t h b e g i ns e c t i o n b e g i nc u r v e0 01 3 6 ( 1 3 3 1 ) 0 - 3 2 11 1 3 6 ( 1 1 0 5 ) 06 4 6 29 0 5 ( 8 7 7 ) 01 6 6 6 江苏大学硕士学位论文 影m f = 藏抽吐生鱼越晓韭量童 ”i - _ 工。弋。x 。3 。x 。i 。、x 0 。瓢。五。k 醛氯 轴截i f i i 线0 拧f 6 1 f 线和前、后盏叛交点到轴线距高 - 、辅截面 oi i ii ，vv i xx i i i 糨制约 o 1 1 3 8j 3 1 3 1 9 0 51 0 9 31 3 1 8 。27 2 63 1 1 2 4 。i 3 2 3 35 6 j7 39 4 一11 1 61 3 2 i 43 5 95 2 j7 2 39 3 1 l f j 5j 2 9 2 55 2 77 2 3。3l j 0 71 3 1 1 4 7 3 65 3 j7 】89 181 1 3 6l s l 11 4 7 9 77 * 19 5 91 i 4 81 3 2 ，3l 杩6 8 7 8 49 8 61 1 7 31 3 5 21 5 l 71 6 9 9 8 2 5j 0 21 2 0 7i 3 8 91 5 竹41 7 1 7 1 08 6 7l 惴61 2 5 31 4 3 71 5 9 5 1 l1 1 1 gl 3 f ) 91 4 7 9 1 21 1 7 91 3 61 5 3 1 31 2 4 i1 4 2 8 前盏板1 3 61 3 61 3 6 2 l ：j 7 2 1 3 8 14 ( i 41 4 3 71 4 7 91 5 2 8j 5 j1 f ；4 g1 7 1 9 l 后箍板 3 ，l3 8 14 2 94 8 i5 0 15 9 56 7 27 4 88 2 89 1 71 0 0 7t 1 0 51 2 0 91 3 1 8 37 2 6 ( 6 9 5 )02 6 8 6 45 6 1 ( 5 3 0 ) 03 7 0 6 53 6 9 ( 3 4 1 ) 05 0 6 6 b e g i nc u r v e1 1 图2 1 叶轮水力图 f i g2 1w a t e ri m p e l l e rm a p 11 7 1 9 ( 1 6 7 8 6 ) 1 1 01 0 3 4 6 21 6 9 ( 1 6 5 1 ) 1 i 01 0 5 0 6 31 5 6 4 ( 1 5 2 3 ) 1 1 01 1 8 6 6 41 4 3 7 ( 1 3 9 6 ) 1 1 01 3 2 2 6 51 3 0 9 ( 1 2 6 8 5 ) 1 1 01 4 5 8 6 61 1 7 9 ( 1 1 3 8 6 ) 1 1 01 5 9 4 6 71 1 0 5 ( 1 0 6 4 4 ) 1 1 01 6 8 8 6 江苏大学硕士学位论文 n q 曩 一一， n k lth 1 ， ii l j 0 e * 0 * 5 一i 0 、j 擀t 一辙：，4 。+ ! 叵丑硝匝三薹蔓玉釜五砑j 囊箩一+ j ，。 = j = ： 二玉垂 l 7 图22图23 b e g ins e c t i o n b e g i nc u r v e1 3 l15 3 ( 1 4 89 ) 1 3 01 5 94 6 21 4 28 ( 1 3 87 ) 1 3 01 7 30 6 31 3 18 ( 1 2 77 ) 1 3 01 8 92 6 图2 4图2 5图26 在p r o e 下建立叶片曲面 ( 1 ) 建立默认坐标系统及基准血。 ( 2 ) 读取叶片文件b l a d ei b l ( 前面以建立) 。 ( 3 ) 光顺曲线。通过p r o e n g i n e e r 调用i b l 格式的文件，主要过程为：j 是 建立默认牮标系( f e a t u r ec r e a to a t a _ i nc o o r d s y sd e f a u lt 产生默认基准面 d t m i 、d t m 2 、d t m 3 ) ：一是导入b l e n d e r1 b l 文件( c r e a t d a t u mc u r v ef r o mf i l e d o n e 读取b l e n d e r i b 】o p e n 圈22 ) 。输出结果如图23 和图24 所“ 。 江苏太学硕士学位论文 ( 4 ) 建立叶片工作面。n e w a d v a n c e d d o n e b o u n d a r i e s d o n e - - g l e n d e d s u r f d o n e 。如图25 所示。 ( 5 ) 曲面的光顺。一般情况下，用边界混成曲面的方法束建立扭曲的叶片效 果不理想，叶片表面不够光滑，不能满足真j f 意义r 的c a d 要求。应改用r 列步 骤建立曲面：n e w - - a d v a n c e d d o n e b o u n d a r i e s d o n e _ a p p r o xb 1e n d d o n e ( 如 图26 所示) 。此方法足用逼近的原理来形成边界曲面的。为使混成的曲面更加 接近所选曲线，必须输入光滑值( s m o o t h n e s s ) 和嘲格数。光滑值j , j o l ，其值 越大，曲面越平滑；值越小，则曲面越接近所选曲线。网格数分为( u ，y ) 两 个方向，取债范围1 2 9 。网格数越大，所形成的曲面越接近所选曲线：网格数 越小，曲面越平滑。 ( 6 ) 建汪叶片背面：读取叶片文件b l a c j e2 ，重复以上步骤。 ( 7 ) 台井曲面( m e r g e ) 将| 【i 片的j i 柞而、背面及4 个侧合并为个曲l | _ 即可得到个完整的叶片曲血。在此基础上，冉建讧其它i i fh 曲l i e 。 ( 8 ) 将所有叶片曲面建成叶片实体。 图2 7 图2 8 叶轮模型( ” 2 2 2 用沿等高线方向给定的线型建立曲面及实体 在建立b l a d ei b l 文件时，边界曲线的建立方法与以上方法相同，表面曲线的 构造应按表中同一等高线上的点建讧叶片表面曲线。 22 3 叶轮实体造型 扭曲叶片曲面建好后，通过旋转功能，即可进行叶轮实体造型。具体作法可 参见图2 7 21 0 。图28 和图21 0 为叶轮模型。 江苏走学硕士学位论丈 23 结束语 在叶轮的参数化实体造型巾，得到满足c a d 要求的叫片曲面至天再要。本文 毕于p r o e