（流体机械及工程专业论文）proe系统下叶片泵水力模型库的建立与应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着计算机辅助设计与制造技术的发展与完善，及现代三维设计理念的推 广，那些应用在传统制造业中的专业软件的局限性表现得更加明显。目前，国内 应用的泵水力设计的c a d 技术主要是以a u t o c a d 为工作平台，进行二维水力 模型设计，但是这种技术已远远不能实现泵设计、生产制造的自动化和两者的高 度集成；同时针对相似换算法是泵生产厂家应用最多的水力设计方法的现状；和 参数化三维设计软件p r o e 集c a d c a m c a e 技术为一身的特点，确定了本课 题的研究方向一即以p r d ，e 为工作平台，进行了泵叶轮三维水力模型库的建立方 法及其应用的探讨。所完成的主要研究工作如下： 1 在分析了n u r b s 曲线、曲面形成机理的基础上，利用p r o e 强大的三 维造型功能，把现有水力模型导入到p r o e 系统中，建立三维叶片实体。 2 采用p r o e 面向对象技术的开发工具包p r o ，r 0 0 l k i t 及“族表”建模功 能，利用v c + + 高级开发语言，建立叶片的水力模型库。 3 作为水力模型库的应用验证，进行了叶轮叶片的相似换算设计，获得了 令人满意的设计结果。 4 在分析了叶片数控加工表面质量影响因素的前提下，利用p r o e 的n c 模块进行叶片数控加工仿真模拟，验证了相关因素判断的正确性。 关键词：p r o e ，泵叶轮，叶片，水力模型库，相似换算 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fc a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) t e c h n o l o g y , a n dt h ep o p u l a r i z a 6 0 no fm o d e r ni d e a si n3 - dd e s i g n , i ti s a p p a r e n tt h a tt h el i m i t a t i o no fs p e c i a ls o r w a r ei su s e di nt r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r e a t p r e s e n t , t h et e c h n o l o g yo fc a di nh y d r a u l i cd e s i g no f p u m pa th o m ei sb a s e do nt h e s o f t w a r eo fa u t o c a dt od e s i g n2 - dh y d r a u l i cm o d e l ，b u ti ti sf a rm o r ei n c a p a b l eo f r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i o no fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ei np u m p ，a n dh i g h l yb o t h i n t e g r a t i o n ；m e a n w h i l e ，f o rt h em e t h o do fs i m i l a rt r a n s f o r m a t i o ni sw i d e l yu s e di n p u m pc o m p a n y , a n df o rt h es o f t w a r eo fp r o ew h i c hi sap a r a m e t e r i z e3 - do n ei s i n t e g r a t e dw i t ht h ef u n c t i o no f t h ec a d ，t h ec a m ，a n dt h ec a e ，t h eg o a lo fr e s e a r c h i nt h ep a p e ri st od i s c u s st h es e t t i n gm e t h o da n dt h eu t i l i z i n go f3 - dh y d r a u l i cm o d e l l i b r a r yo f i m p e l l e r w h a th a sd o n ei sa sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h em e c h a n i c so fb u i l d i n go fn u r b sc u r v ea n d s u r f a c e s ，u t i l i z i n gt h ep o w e r f u l3 - dm o d e l i n gf u n c t i o no f t h ep r o es o f t w a r e ，t h r o u g h i m p u t i n gh y d r a u l i cm o d e li n t op r e es y s t e m ，t ob u i l dt h e3 - db l a d ee n t i t y 2 a d o p t i n gp r o t o o l k i t t h a ti st h ed e v e l o p m e n tt o o lo f t h eo b j e c t e d - o r i e n t e d t e c h n o l o g yo fp r o e ，a n dt h ef i m e t i o no ff a m i l yo fb u i l d i n gm o d e l ，a n du s i n gv c + + d e v e l o p i n gl a n g u a g e ，t os e tt h eh y d r a u l i cm o d e ll i b r a r yo f t h eb l a d e 3 t ot e s t i f yt h ea p p l i c a t i o no ft h eh y d r a u l i cm o d e ll i b r a r y , d o i n gt h ed e s i g no f t h es i m i l a rt r a n s f o r m a t i o no f t h ei m p e l l e rb l a d e ，a n da t t a i n i n gt h es a t i s f i e dr e s u l t 4 a f a ra n a l y z i n gt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es u r f a c eq u a l i t yo f t h eb l a d et h a t i sn c m a n u f a c t u r e d ，u s i n gt h en cm o d u l eo fp r o et os i m u l a t et h en cm a n u f a c t u r e b l a d ep r o c e s s ，t oc e a i f yt h ec o r r e c to f f a c t o r s k e y w o r d s ：p r o e ，i m p e l l e r , b l a d e ，h y d r a u l i cm o d e ll i b r a r y , s i m i l a rt r a n i f o r m a t i o n n 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，同意学位保 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：番复姝 删r 年舌月驻日 指导教师签名： 年 月日 本人郑重声明：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集体己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。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：，奎爱献 日期：加j _ 年月扩日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 伴随着计算机、机械制造、通讯和数控技术的迅猛发展，产生了一门综合性 的应用技术一计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 。c 觥a m 技术是以计算机、 外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元 分析( f e m ) 及优化设计，数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟及产品数据管理等 内容。随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、 协同、虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用，计算机及网络技术的发展，使 c a d c a m 从技术至产品都发生了革命性的变革。 由于计算机技术的发展，大大地促进了设计和制造能力的提高，这种能力的 提高，不但体现在工作效率和工作质量方面，更体现在先进的计算机技术对传统 的工作方式的促进和变革方面。它实现了信息高度集成，充分发挥了设计人员的 创造思维，从而大大缩短了产品设计、制造周期，提高产品的质量，增强企业在 市场竞争中的应变能力，增强了企业的竞争力，促成了员工、企业的全面发展。 可以说，c a d c a m 技术的应用水平已是衡量一个国家，企业技术水平的重要标 l 1 1c a d 数据模型的发展 在c a d c a m 系统中，c a d 的数据模型是一个关键，随着c a d 建模技术 的进步c a m 才能有本质的发展。在c a d 数据建模技术上，有四次大的技术革 命i l 】。 第一次c a d 技术革命一曲面造型技术 c a d c a m 技术产生于上世纪5 0 年代中后期。起初由于早期的c a d 系统所 用的数据类型是线框模型，不能表示形体几何数据之间的拓扑关系，也没有免得 信息：在这种数据模型基础之上的c a m 最多处理些二维的数控程序编程问题， 功能非常有限。法国数学家p i e r r e b e z i e r 提出的贝赛尔曲线、曲面奠定了曲面模 型c a d ，c a m 的基础。 江苏大学硕士学位论文 第二次c a d 技术革命实体造型技术 针对曲面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的质量、重 心、惯性矩的缺陷，7 0 年代末s d r c 公司开发了基于实体特征大型 c a d c m ，c a e 软件i - d e a s 。它实现了3 d 的有机集成，但这一代系统存在维 修困难，使用难度大等问题。 第三次c a d 技术革命一参数化实体造型技术 参数化实体造型系统克服了自由制造技术无法进行尺寸驱动和设计与制造 无法并行作业的不足，这一代系统采用统一的数据结构，基于特征、全尺寸约束， 尺寸驱动设计修改。其代表软件系统是p t c 公司的f r o e n g i n e e r ，该系统的c a m 技术相当完善，并为并行工程提供了一个很好的工作平台。 第四次c a d 技术革命变量化实体造型技术 s d r c 公司针对参数化实体造型技术很难处理复杂的几何拓扑关系和尺寸 约束关系的问题，提出了变量化实体造型技术理念，它解决了欠约束情况下的参 数方程组的求解问题。 1 2 国内c a 0 c a u 软件发展历程 7 0 年代末，我国计算机应用尚处于萌芽阶段，二维c a d 图纸设计是我国最 早应用的c a d 技术，从8 0 年代初，c a d 技术应用经历了“六五”探索，“七五” 技术攻关，“八五”普及推广，“九五”深化应用四个阶段。c a d 技术在我国机 械行业应用较早，并得到迅速发展，取得一批重要应用成果。 我国已形成了一支c a d 开发队伍，开发出了一批商品化的2 dc a d 系统。 如开目c a d 、g h c a d 、i n t e c a d 、大天c a d 、p i c a ) 、利玛c a d ，、p c c a d 、 x t c a d 等等。这些系统的共同特点是：系统运行环境为p c 机，操作系统为 w i n d o w s n t 9 8 ，应用动态导航和面向对象技术，系统操作简捷方便；具备了参 数化、变量化的设计能力，特别是采用了欠约束处理的技术，引入了n 特征”的概 念，具有特征处理的能力；具有较强的编辑功能，具备多种拷贝方式，放大、缩 小、延伸、缩短、剪裁等能力：具有运动仿真功能；提供了符合国家标准的标准 江苏大学硕士学位论文 件库、全参数化零件库、丰富的图形符号库：具备了明细表的自动生成能力以及 其它辅助设计手段。这些商品化的2 dc a d 系统投入市场，改变了国内的c a d 软件系统由国外软件一统天下的局面。 近几年来，以大学为主力的开发队伍开发出了一批3 dc a d 系统，他们以公 司的机制将这些系统推向市场。如清华同方g e m s5 0 、华中天喻信息公司的l u t e s o l i d 、航空航天大学与广州合办的广州红地公司的金银花3 dc a d 、浙江大学大 天公司的g s - - m c a d 等。目前我国开发的3 dc a d 系统的特点有：采用特征建 模技术改变了传统的以几何设计为主的建模技术，从而提高了设计效率；具有较 高的曲面建模能力为解决复杂曲面的零件设计提供了手段；采用了三维参数化、 变量化设计，修改方便，易于用户使用；具有装配设计能力，可提供装配树，为 其它应用提供了基础：具备了2 d 3 d 关联设计的功能，可高效生成符合国家标 准的工程图纸；提供了丰富的标准件库和方便地查询、搜索添加和预览功能；具 有较完善的渲染功能，可产生具有真实感的产品效果图；系统建立在p c 机和 w i n d o w sn t 9 8 操作系统环境下，使用了当前较流行的开发工具，系统开放性好。 我国3 dc a d 系统目前与国外系统相比还有一定差距，市场占有率也较低。目前 国内3 dc a d 系统仍是国外产品占统治地位。 目前我国企业应用c a d 技术的特点是：多数企业利用2 1 ) c a d 解决设计绘 图问题，应用单位基本上“甩掉了图板”；在p d m 的应用方面也多处在用p d m 进行图文档的管理水平；有部分企业开展了3 dc a d 的应用，这些企业用3 dc a d 进行产品模型的设计，已取得了较好的效果，也有一些企业开展了动态仿真、机 构模拟等，提高了产品的设计水平和设计质量；另外，在一些实施c i m s 应用工 程的企业，考虑到全企业的信息化工作，正在实施以p d m 为核心的集成系统， 通过应用p d m 系统解决工程设计中的大量文档、数字化产品模型、产品明细表 与工程更改等信息的组织、管理与控制，解决c a d c a e c a p p ，c a m 各分系统 之间的信息交换和数据共享问题，以及各c a x 系统与m r p i i e r p 之间的信息 ， 集成问题。从当前看，企业在深化c a d c a m 、p d m 的应用方面还有很多工作 要做。 总的说来。经过3 0 ：多年的努力，c a d c a m 在我国的应用有了长足发展， 并取得了喜人的成绩。 江苏大学硕士学位论文 1 3 国内外泵行业c a d c a m 发展现状“1 i 国外泵c a d 技术的发展 国外水泵c a d 的研究起步较早，经过几十年的发展，现在技术已经成熟，而 且服务于生产领域了。例如威尔泵业公司( w e i rp u m p sl t d ) 一欧洲最大的水泵生 产商，是从1 9 7 8 年开始着手研究水泵c a d 的。目前该公司有两套c a d 系统，一 套装在a l l o a 工厂，另一套装在c a t h c a r t 工厂。现在设计一台七级离心泵，从 参数输入到设计结果的屏幕显示，只需4 0 一5 0 分钟。 从二十世纪九十年代以来，国外泵c a d 技术的硬件以工作站为主。目前国外 泵c a d 工作站主要有s p a c es t a t i o n2 g t 和c i m s t a t i o n 等。如澳星顿一心普森 公司的水泵c a d c a m 系统的硬件和软件均选自c a d l i n c 公司；硬件为 c i m s t a t i o n ，软件为c i m c a d c 枷。 国外水泵c a d 应用软件的开发不仅起步早，而且技术比较成熟，其内容包含 水力设计、性能预测、结构分析、图纸绘制，流场分析和数控加工等功能。譬如 日本三菱电机公司早在1 9 9 0 年就成功开发了水泵c a d 系统，即m e l c a d - - m d + 软 件。m e l c a d - - m d + 具有操作方便、功能丰富、软件先进等特点。它包含有限元结 构分析和直接的c a m 能力，通过i g e s 和d x f 两种方式与其他c a d 系统交换数据。 2 国内泵c a d 技术的发展l 硐 国内离心泵c a d 的研究工作起步于2 0 世纪7 0 年代末，经过2 0 多年的不断 发展，目前在采用一元设计理论进行水力设计和叶片绘型方面已经比较成熟。它 的发展大致可分为三个阶段：从2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代中期主要研究泵的 计算机辅助设计的数学模型和计算机绘型技术，它为开发实用的泵水力设计c a d 软件提供了数学模型，譬如：1 9 7 9 年谭泽光在国内最早发表了泵c a d 研究方面 的论文；1 9 8 0 年张旭清发表了离心泵叶轮数学模型研究方面的论文；1 9 8 1 年龙 候德等人也进一步发表了离心泵叶轮数学模型研究方面的论文：i 9 8 6 年崔韵春 等人发表了有关离心泵c a d 研究方面的论文。2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代中 一、 期是泵c a d 发展重要阶段。这一阶段出现使用a u t o l i s p 和c 语言在简单易用的 w i n d o w s 操作系统和具有强大的绘图功能、对外设的普遍支持功能a u t o c a d 平台 上开发泵的水力设计c a d 软件，并且许多学者和工程技术人员对泵c d 进行了大 量而富有成效的研究工作，发表许多相关的优秀论文和专著，例如：1 9 8 8 年崔 4 江苏大学项士学位论文 韵春等人在d o s 操作系统下利用b a s i c 语言成功开发了离心泵叶轮和螺旋形压水 室水力设计软件：1 9 8 9 年於毂珍等人在d o s 操作系统下利用f o r t r a n 语言成功 开发了离心泵叶轮和蜗壳水力设计软件；2 0 世纪9 0 年代初伏龙等人在d o s 操作 系统下利用q u i c k b a s i c 语言成功开发了离心泵叶轮、混流泵叶轮、螺旋离心泵 叶轮、螺旋形压水室、径向导叶和空间导叶的多功能水力设计软件：1 9 9 1 年陈 世亮等人研究了离心泵轴面投影图流道中线方程和叶片展开型线方程；1 9 9 2 年 周德祥等人分别发表离心泵轴面图数学模型；1 9 9 3 年钱涵欣等人研究了蜗壳的 数学模型。从2 0 世纪9 0 年代中期至今是泵c a d 的完善阶段，这一时期研究泵 c a d 的内容更加广泛和深入，譬如：1 9 9 3 年王业民研究了虹吸式出口流道c a d ： 1 9 9 5 年孙建平研究了渣浆泵c a d 而陈露等人在a u t o c a d 平台上研究了渣浆泵结 构c a d ；1 9 9 4 年戴勇峰等人用有限元程序研究泵的三维造型，而同年高剑华研究 了离心泵叶片和流道的三维造型；1 9 9 7 年王福军等人在a u t o c a d 平台上进行了 圆柱叶片和叶轮的三维造型研究；1 9 9 9 年刘厚林博士在w i n d o w s 9 x 操作系统下， 利用v i s u a lc 十+ 在a u t o c a dr 1 4 平台上成功开发了商业化的多功能泵水力设计 c a d 软件。 1 4 泵c a d 软件技术特点 泵c a d 软件除了具有科学性、实用性、先进性等一般特点之外，还有其自身 的些技术特点，如人机交互技术、功能模块化技术和数据管理技术等嘲。 i 人机交互技术 由于目前普遍采用的泵水力设计方法是一个半理论半经验的方法，因此在泵 水力设计过程中，需要通过人机交互技术来揉进设计者的经验。同一种系使用场 合的千差万别和不同企业的生产制造水平也决定了泵水力设计是一个人机交互 的过程。 人机交互方法可以通过对话框、命令行、屏幕对象捕捉等方法来进行。对话 框可视性好，但不够灵活且速度较慢，难以很好地表现水力设计的某些过程。命 令行方法( 如a u t o c a d 软件中的c o m m a n d 行) 简单、方便、快速，是最常用的人机 交互方法之。屏幕对象捕捉方法具有直观、实时和易掌握的优点，但水力设计 的很多过程通过该方法是无法实现的。在实际编程时可以综合采用这几种方法， 江苏大学硕士学位论文 如以命令行方法为主，以对话框和屏幕对象捕捉方法为辅。 2 功能模块技术 由于不同的泵和同一种泵的各过流部件所采用的水力设计方法不同，因此在 开发泵水力设计c a d 软件时应根据不同的功能，或不同的水力部件来分模块设 计。如在一些文献中就有离心泵叶轮模块、轴流泵叶轮模块、双流道叶轮模块、 螺旋形压水室模块、双蜗壳压水室模块、径向导叶模块和空间导叶模块等。 采用模块化技术时首先将软件划分成各个功能模块，然后分模块进行设计， 最后再合成一个系统。它有利于泵水力设计c a d 软件的调试、维护、升级和内容 扩充，还便于分模块来进行技术转让。 3 数据管理技术 在泵水力设计过程中，需要采用很多数据资料，因此数据管理是非常重要的。 对数据的管理方法通常有三种，即数据库法、数据文件法和内存变量法。 数据库法适合数据量很大的场合，数据的维护很方便，但编程量较大，可用 于水力模型数据的存放。数据文件法适合于中等数据坛的场合，相对于数据库法 而言，编程量较小，但对数据的维护不方便，模块之间的数据传递可以采用此方 法。内存变量法适合于数据量较小的场合，优点是编程简单，运行速度快，但随 着数据量的增大则需要较大的内存开销，如压水室隔舌角与比转数之间关系的数 据就可以采用此方法。 4 接口技术 泵水力设计c a d 软件的接口技术包括与计算机辅助制造( c a 砌和其他软件的 接口两个方面。 随着计算机集成制造技术( c i m s ) 的发展，会有越来越多的泵企业采用c a m 技术进行泵产品的生产或模具制造，因此泵水力设计c a d 软件必须考虑到与c a m 模块的接口问题，否则不能满足和适应泵制造技术韵发展。选用优秀的图形支撑 软件是解决此问题的有效方法和捷径，如a u t o c a d 、u g 、p r o e 等：这类支撑软 件不仅提供了与c a m 兼容的结构，还提供了图形打印，文件管理，计算重心、转 动惯量，有限元分析等诸多实用的功能。在a u t o c a d 中数据的流动方式中，是以 a u t o c a d 为支撑软件，泵水力设计c a d 模块可以通过s c r 文件，d x f 文件或i c e s 文件把数据传递给c a n t 模块来进行模具加工或产品生产。 6 江苏大学硕士学位论文 i 5 我国泵c a d 未来的发展方向 ( 1 ) 选择优秀的支撑软件，加速泵c a d 软件开发过程。国内的泵c a d 软 件大多是在a u t o c a d 平台开发的，要迸一步提高软件的功能和加速开发过程， 可以选择功能更强大的支撑软件，如m d t 、p r 0 e 、u g 等。 ( 2 ) 开发实用的具体三维实体造型功能的泵c a d 软件。 ( 3 ) 将c a d 与c a p p 、c a m 系统进行继集成，形成c i m s ，促成我国泵设 计、制造水平的进步。c i m s 不仅可以大大缩短泵产品的设计和制造周期，还可 以大幅度提高产品的质量，降低成本，从而提高产品的竞争力。 ( 4 ) c a d 和c f d 技术相结合。通过c f d 技术来预测设计结果的好坏，或 直接利用c f d 的反问题进行水力设计，以减少泵产品试制成本。 ( 5 ) 加快和完善泵结构设计c a d 软件的开发，来提高泵系列产品开发的速 度和质量。 1 6 选题依据和主要内容 目前，叶片泵现代设计及制造技术的研发正处于方兴未艾阶段，尤其是结合 c a d c a m 需要而进行的叶轮叶片三维造型的研究报道屡见不鲜随着高端三维 造型软件如p r o e n g i n e e r 、u o 、i - d e a s 、s o l i d b r k s 在国内的普及应用，及 其相关技术的成熟，很多企业、科研院所都在尝试打破传统的绘制二维水力模型 图模式，直接利用这些三维软件绘制叶片的三维实体，这样可以减少软件间兼容 性问题，避免数据导入导出误差，而且便于利用c f d 软件进行三维流动分析 以检验水力设计结果的优劣。在上述高端软件中，更有利于实现c a d c a m 集 成的参数化三维设计软件包p m e 近年来的应用推广速度尤为迅猛。众所周知， 在泵生产厂家中，泵水力设计的相似换算法是一种即简单又容易满足设计要求的 最常用设计方法。但是，目前还未见到针对在p r o e 工作平台上使用这种方法时， 一、 所用的水力模型库的建立及其应用过程所进行的专门研究或实践的报道。为此， 本文所进行的研究工作主要包含以下内容： 1 在p r o e 系统下，提出一种把图纸上的二维木模图转换成三维实体模型 1 在p r o e 系统下，提出一种把图纸上的二维木模图转换成三维实体模型 的实用方法。 江苏大学硕士学位论文 1 5 我国泵c a d 未来的发展方向 ( 1 ) 选择优秀的支撑软件，加速泵c a d 软件开发过程。国内的泵c a d 软 件大多是在a u t o c a d 平台开发的，要进一步提高软件的功能和加速开发过程， 可以选择功能更强大的支撑软件，如m d t 、p r o e 、u o 等。 ( 2 ) 开发实用的具体三维实体造型功能的泵c a d 软件。 ( 3 ) 将c a d 与c a p p 、c a m 系统进行继集成，形成c i m s ，促成我国泵设 计、制造水平的进步。c d 讧s 不仅可以大大缩短泵产品的设计和制造周期，还可 以大幅度提高产品的质量，降低成本，从而提高产品的竞争力。 ( 4 ) c a d 和c f d 技术相结合。通过c f d 技术来预测设计结果的好坏，或 直接利用c f d 的反问题进行水力设计，以减少泵产品试制成本。 ( 5 ) 加快和完善泵结构设计c a d 软件的开发，来提高泵系列产品开发的速 度和质量。 l 。6 选题依据和主要内容 目前，叶片泵现代设计及制造技术的研发正处于方兴未艾阶段，尤其是结合 c a d c a m 需要而进行的叶轮叶片三维造型的研究报道屡见不鲜，随着高端三维 造型软件如p r o e n g i n e e r 、u g 、i d e a s 、s o l i d w o r k s 在国内的普及应用，及 其相关技术的成熟，很多企业、科研院所都在尝试打破传统的绘n - - - 维水力模型 图模式，直接利用这些三维软件绘制叶片的三维实体，这样可以减少软件间兼容 性问题，避免数据导入导出误差，而且便于利用c f d 软件进行三维流动分析， 以检验水力设计结果的优劣。在上述高端软件中，更有利于实现c a d ，c a m 集 成的参数化三维设计软件包p r o e 近年来的应用推广速度尤为迅猛。众所周知， 在泵生产厂家中，泵水力设计的相似换算法是一种即简单又容易满足设计要求的 最常用设计方法。但是，目前还未见到针对在p r o e 工作平台上使用这种方法时， 、 所用的水力模型库的建立及其应用过程所进行的专门研究或实践的报道。为此， 本文所进行的研究工作主要包含以下内容： 1 在p r o e 系统下，提出一种把图纸上的二维木模图转换成三维实体模型 的实用方法。 7 江苏大学硕士学位论文 2 利用p r o e 软件开发工具t o o l k i t 和开发语言v c + + 6 0 ，建立叶片的 水力模型库。 3 调用水力模型库完成计片相似换算设计。 4 采用p r o n c 模块进行叶片数控加工仿真。 8 江苏大学项士学位论文 2 1 相似换算原理 2 1 。l 相似换算概念 第2 章设计开发工具 泵的相似设计和模型试验是在相似理论指导下进行的。利用相似设计，可 以由一个性能优良的叶轮设计制造出一系列大小不同、工况相似的叶轮。有时由 于实型泵过大，无法进行真机试验，就要利用相似理论把真机缩小成模型，再将 模型试验结果换算成真机的性能。 2 1 2 泵相似换算的相似条件 两台泵的液流要完全力学相似必须满足几何相似、运动相似和动力相似。 1 几何相似条件 两台泵过流部件的一切对应线性尺寸成同一比例，所有的对应角相等。 旦：旦：旦：蔓 d 1 ， d 2 。6 l 。6 ：。 ( 2 1 ) 多、= p l 。，p ：= p 。m 2 运动相似条件 两台几何相似的泵所有对应点的同名流速比值相等，方向相同。也就是相 似工况点的速度三角形相似。 兰= 旦：旦：兰：旦：兰： ( 2 2 ) v 1 mv 2 m -蝎w “抽w l mw 2 m 口l = d l m ，口2 = 口2 m 3 动力相似条件 作用于两台泵过流部分相应点处流体的对应力比值相等。作用在泵叶轮内 流体上的各种力中，主要考虑压力，其相似准则为欧拉数b 。分析表明，对几 何相似、运动相似的泵，毛就相同，即动力相似自然满足。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 相似定律 呈：阻 3 三旦( 2 - 3 ) q 坩l d 2 。露，。 芒= ( 封( 笥老( 2 - 4 ) 尝：卫f 璺i 3 丛( 2 - 5 ) 以“l 岛，ji 一。j r 。 由于确定泵的各种效率比较困难，在实际应用中，若两相似泵的尺寸、转速 相差不太悬殊时，可认为在相似工况下两泵对应效率相等，于是有： 娶：f 璺1 笠 ( 2 嘞 级l d 2 ，j 2 1 4 相似换算设计 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 利用泵的相似换算设计法，既可以把实型泵设计成模型泵，进行模型试验， 也可以把模型泵按实际需要设计成实型泵。对于性能优良的泵，可以利用相似设 计法设计出一系列比转数相同( 相近) 的性能优良的泵。相似设计法的步骤如下： 1 按给定的设计参数( q ，日，n ) 计算泵的比转数几( 几= 兰竽) ； 2 选取模型泵；对模型泵的要求是： ( 1 ) 模型泵。的与设计泵相等或相近。 ( 2 ) 模型泵的效率高( 高效范围广) ，抗汽蚀性能好，特性曲线符合要求： ( 3 ) 模型泵的技术资料全面可靠； 3 计算设计泵与模型泵的几何尺寸比例系数 ： ( 1 ) 疗，= 拧。时 旦办 行i，旦一 ，o。0，。 、0，、， 砬一、b一皓旦如 = 1 旦以 旦心 江苏大学硕士学位论文 当设计泵的比转数与所选用的模型泵的比转数，相等或几乎相等时，直 接用模型泵的最佳工况点作为相似点。尺寸换算系数a 为： 五= 瓦d = 懈 五) ( 2 - 9 ) = 晤屯寺雁 ( 2 ) “以。时 当模型泵的比转数与设计泵的比转数有一定的差距( 当然不能相差太大) ， 可采用对现有模型泵进行修改1 4 1 ，或取模型泵偏离最佳工况的工况点作为相似 换算点。后者的具体做法为：首先在模型泵特性曲线上最佳工况点附近选取几个 工况点，计算每个工况点的比转数，并做n 广q 曲线，然后再在纵坐标轴上取 设计泵设计工况点的比转数，经该点作水平线与刚做出的r i g - q 曲线相交d 点， 再从d 点作铅垂线与特性曲线肌q 相交于m 点，此m ( 耍k ，王k ) 点就是相似 换算点，据q k ，三k 同样用( 2 9 ) 式，可确定尺寸换算系数五。 4 计算实型泵各个尺寸 在得出尺寸换算系数丑后，把模型泵过流部件的各尺寸乘以a 后，就可得到 设计泵过流部件的相关尺寸。设计泵的叶片角度应等于模型泵的相应角度，即： d = 碱p = 尻 ( 2 1 0 ) 5 叶片绘制。 2 2 数据库技术 2 2 1 工程数据处理方式 在机械设计过程中，常常需要从有关的实验曲线、图表、设计规范中查找 ，、 各种数据。在传统的设计中，这些数据资料是通过手册的形式提供的；而在 c a d c a m 系统中，需要将这些工程数据存储在计算机中，这样设计人员在使用 c a d c a m 系统进行机械设计时，可以直接检索、查询、引用这些数据。一般来 讲。工程数据的处理方式有三种。 江苏大学硕士学位论文 1 程序化方法 在c a d c a m 系统中用编程的方法对这些数表、线图进行处理以实现查询、 引用数据。具体处理方法有两种： 第一种是将数表中的数据和线图( 经离散化) 的数据存入数组中，通过对数 组数据进行查表、插值等处理以求得所需数据； 第二种是将数表及线图拟合成公式，以函数关系式来表达数表、线图中的数 据关系，将此公式编入程序中，计算出所需数据。工程数据的程序化依赖于具体 的c 觥a m 系统，其处理速度较快，但工程数据的共享性不好。 2 数据库存储 将数表及线图( 经离散化) 的数据按照数据库的法则进行预处理，如确定文 件名、字段名、字段类型、字段宽度等，然后将其存放在数据库中，c a d c a m 系统通过对数据库的调用，可以查询、引用其中的参数。由于数据库独立于 c a d c a m 系统，它不会因c a d c a m 系统的变化面对工程数据进行变更，可以 实现工程数据的共享，这是c a d c a m 中工程数据处理的发展方向。 3 a s p 方式 近年来随着i n t e r a c t 技术的发展，出现了在i n t c r n e t 上提供工程数据查询服 务的a s p ( j 直用服务供应商) ，人们只要进入它们的网站，就可以查询、引用工程 设计中的设计数据。其基本思想就是数据库存储方式，只不过它所用到的i n t c m e t 技术和数据库技术更加先进，技术复杂程序更高，且这种c a d c a m 设计的 i n t e r a c t 专业服务也是电子商务和协同作业的一种具体体现。 2 2 2 叶片泵设计中用到的数据类型 叶片泵设计中需要大量数据，根据其在设计中的作用及应用方式可大致分 成以下几类【： 1 主要设计参数 包括设计点的流量( q ) 、扬程( h ) 、转速( n ) 、效率( 1 1 ) 、坊率( p ) ；必 需汽蚀余量( n p s h r ) 、流体介质性能参数( 质量、粘度) 等。 2 性能曲线 ： 包括各类曲线数据值：q _ h 曲线、q - r l 曲线、q _ p 曲线及振动、噪声等曲 1 2 江苏大学硕士学位论文 线数据。 3 水力几何参数 ( 1 ) 时轮的水力几何参数：包括叶轮平面投影图及木模截线几何参数和叶 轮轴面投影图几何数据。 ( 2 ) 压水室、吸水室、诱导轮等过流部件的水力几何数据。 4 泵结构几何尺寸参数 包括泵零部件的结构尺寸、泵整体安装尺寸。 s 相关标准件及国家、行业标准数据 如螺栓、螺母、键、联轴器、密封件等标准件；水泵结构控制尺寸、速度系 数曲线等行业表；标准直径系列、形位公差等国家行业标准等。 6 设计计算中间过程的数据 如用f e m 进行流场分析的有限元网格节点坐标、节点及单元编号以及节点变 量；结构的应力分析中产生的应力、应变值等。 结合本课题的实际情况，在水力模型库的建立与应用中主要用到泵的设计参 数与性能曲线。这两类数据应用a c c e s s 数据库进行存储，其具体应用实例将在 4 3 节中详细阐述。 2 2 3 表数据处理一函数插值 进行相似换算所需要的泵特性曲线数据点一般取值在相似换算点附近的泵 工作区域内，这一范围内的曲线变化平缓，因此我们可以近似可以把这些曲线近 似看成线性、或低次方变化。当所取的点不在数表所在的节点上时，可用函数插 值的方法来处理。结合对泵特性曲线的分析结果，我们采用抛物线插值来处理数 据点。 抛物线插值的方法是在原来函数，一上取三个点，过此三点作抛物线g 国， 用来替换，。过三点、( 五- y l 一) 、( 五，m ) 、( 五+ y j + ) 作抛物线方程，则 在抛物线插值中，选取