（机械设计及理论专业论文）离心泵叶轮设计分析及造型系统的研究与开发.pdf

内容提要 l 进入八十年代以来，产品的开发模式发生了重大变革。这些变革使得 开发商们必须迅速响应客户需求，提高产品性能，缩短开发周期和降低开 发成本，这样才能使其产品在市场当中更具竞争力) 流体机械在设计制造 过程中，无论是采用手工方法还是计算机手段，般的过程为：设计一样 机性能试验一制造。根据流体机械的设计特点，这样的设计过程往往需 要多次试制才能完成，设计成本高设计周期长已无法适应新的产品开 发模式的变化。随着c a d 技术的发展，“d c h 三c a m p d m 系统的一体 化集成已经是大势所趋。有效地实施和利用这项技术，对适应新的产品开 发形势是十分有利的。本文就是以离心泵叶轮为研究对象在这方面进行研 究和探讨。 ( 就目前所知，国o , j 的水泵c a d 系统主要还是停留在二维图纸设计阶 段，在c a d 集成化程度上明显落后于其他行业，这主要是由叶轮类零件的 设计和结构特点造成了系统的建模| 圭| 难。由于缺乏模型的统一性嗣l 一定的 设计表达和数据交换标准，造成了c a d 技术在水泵设计领域无法与c f d 、 c a m 等技术有效地结合起来。 本文通过对离心泵叶轮的水力设计和结构特点研究，建立了其设计主 模型，并通过数据的提取实现了分析和造型等功能。通过对目前水泵c a d 系统集成化程度不高的现状的分析，找出其中关键问题，提出了一体化设 计的实现思想和具体的解决方案。叶轮是复杂曲面类零件的典型代表义 是水泵设计的关键部分。本文即以此为例，开发了水泵叶轮的设计分析及 造型系统。具体而言，本文所做的l 作如下： 一设计部分。 1 叶片的形状由轴面形状和同转面形状两个因素共同确定，系统根 据叶片的设计特点和设计要求分别建立了轴面流线和流线展开 线型线的调控机制，提高了l 殳计的灵活性，使设计修改更加灵活 方便。 2 叶片绘型中从空间流面展开到平面方格网上，需要对轴面流线进 行分点。作者在对轴面流线的几何关系研究的基础上，建立了轴 面流线分点计算的数学模刑，解决了分点的数值计算问题。 3 通过使用变鲑化技术采州尺寸驱动的方法结合有关约求条俐：实 现了叶轮蔷板的设计与造型。 _ 二数据的组纵部分 1 通过建立一系列数据类型有组织地存储叶轮各零件的设计参数 澎。# 。 通过各参数的数学关系表达具体约束条件，保证零件的儿f j 关系。 2 通过建立水力模型库和设计模型库，实现了水力模型数据和设计 模型数据的存储和管理等功能。 3 通过使用c a d 支撑平台( a u t o c a d ) 的开放对象体系，使用图元 对象存储了设计模型的非参数化信息，并建立了数据的提取机制。 三设计分析部分 设计分析部分是对设计结果进行分析评估的关键部分，采川c f d 的计算方法对设计结果进行流动分析及性能预测是设计分析的关键和 最终目标。由于缺少c f d 算法模块的支持，本文所建立的设计分析模 块是基于一元理论的分析方法通过沿流线叶片相对运动速度和液流 速度矩的的变化规律，反映了叶片的受力及叶轮内部的液流的能量的 变化情况，并在中南大学特种泵厂的f m l 2 5 1 0 0 - 2 0 0 耐磨化l ：离心泵 的设计开发过程中发挥了设计指导作用经测试该泵最优工况f 的效 率达到了n7 6 ，达到了设计要求。 另外一方面，c f d 计算必须以叶轮的型腔的形状为基础，系统通 过对型腔各个形状参数提取，为c f d 方法的前处理的实现以及c f d 方法的应用打f 了基础。 四设计结果表达 1 与叶轮的结构和设计特点相一致，叶轮的设计文档表达也不同于普 通的三视图方式，系统建立了设计文档的生成模块，实现了符合没 计人员习惯的设计结果图纸表达。 2 系统与后续各个环节的衔接必然是以三维模型为基础的本人通过 对叶轮各零件的造型特点研究，对叶轮的设计模型进行了二维造型 表达，直观准确地反映了设计结果。 3 通过与c a d 支撑平台( a u t o c a d ) 的功能集成实现了三维模型的 多视角观察、任意角度观察剖切观察和着色渲染等功能。 4 在三维模型的应用上提出了一些方法和实施步骤。 总的说来，本文还只能说是在水泵c a d 的一体化发展领域做的一部分 研究和尝试，整个系统的发展和完善还需要结合更多学科的知识币i i 更多成 熟的技术。本人也真心希望本文所做的研究工作能够尽快给工程实际带来 有益的参考和借鉴。文中设计思想币实现手段大多都是在参考有天文献年 考察有关生产厂家实际需要的基础上提出的，但由了：本人水平和糖力有限 必定有所疏漏和考虑不周的地方敬请读者批评指正) 【关键词】水泵叶轮 c a dc a e c a m p d mc f d 惑，琏i a b s t r a c t s i n c et h e1 9 8 0 s , t b em o d e o fp r o d u c td e v e i n p m e n th a sb e e nc h a n g e dv e r x m u c h f o rt h e i rp r o f i t si nt h em a r k e t t h ep r o d u c e r sh a dt or e s p o n s et ot h e i r c u s t o m e r s r e q u i r e m e n t sq u i c k l y , r a i s et h eq u a i l t yo f t h e i rp r o d u c t s ，c u td o w nt h e p e r i o d so f p r o d u c t s d e v e l o p m e n ta n ds a v ec o s t so f d e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s n o m a t t e rw h i c hd e s i g nm e t h o dt h e ya r eu s i n gd u r i n gd e s i g n m a n u f a c t u r e t h e f l u i dm e c h a n i c so f t e nf o l l o wt h es a m ep r o c e d u r e ：d e s i g n s a m p l et e s t m a n u f a c t u r e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l u i dm e c h a n i c s i to f t e n t a k e st h ed e s i g n e r ss e v e r a lt i m e so fs a m p l e rt e s t st oe n s u r e t h er e s u l to fd e s i g n 0 6 咖u s 抛出i sd e s i g nm o d e li so u to fd a t e ， a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to f c a dt e c h n i q u e s t h ec a d c a e c a m 巾d ms v s t e mi sb e c o m i n gt h et r e n di nt h e n e a tf u t u r e w i t ht h ec o n v e n i e n c eo ft h i st e c h n i q u e t h ed e v e l o p m e n to fn e 、 p r o d u c t sw i l lb eg r e a ti m p r o v e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h i st e c h n i q u ea n db r i n g s u ps o m en e wi d e a so np u m pi m p e l l e rd e s i g n u pt on o w , t h ep u m pc a ds y s t e m si no u rc o u n t r ys t i l ls t a ya tt h e2 dl e v e l a n dt h ei n t e g r a t i o nl e v e li np u m pd e s i g ni sf a rl e f tb e h i n dc o m p a r i n gw i t ho t h e r f i e l d s s i n c et h ec o m p l e x i t yo ft h ec o m p o n e n t ss u c ha st h ep u m pi r e p e l l e r , t h e m o d e lo fp u m pi sd i 讯c u l tt oc o n s t r u c t s ot h et e c h n i q u eo fc a dc a n n o tb e e a s i l yc o m b i n e dw i t ho t h e rt e e h n i q u e ss u c ha sc f d 、c a mi np u m pd e s i g nf i e l d b yr e s e a r c h i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc e n t r i f u g a lp u m pi m p e l l e rd e s i g n t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h ew a yo fc o n s t r u c t i n gt h em o d e lo fi ta n dr e a l i z e dt h e f u n c t i o n o fd a t ae x t r a c t i o nf r o mi t t h ep u m pi m p e l l e ri sn o to n l yt h et y p i c a l r e p r e s e n t a t i o no fc o m p l e xc o m p o n e n t s b u ta l s ot h ek e yc o m p o n e n tj np u m p d e s i g n t a k i n gi ta st h es t u d y i n go b j e c t t h es y s t e mo f p u m pd e s i g n 、a n a l y s i sa n d m o d e js y s t e mw a sd e v e l o p e d t h ec o n t e n to f t h i sp a d e ra sf o l l o w s ： 1 p a r t o f d e s i g n t h es h a p eo ft h ei m p e l l e rf a ni sd e t e r m i n e db yt w of a c t o r s ：t h es h a p e o f a x i a is i d ea n dt h es h a p eo fr e v o l v i n gs i d e 1 nt h es y s t e m ih a v e d e v e l o p e dt h es h a p ec o m r o lm e c h a n i s m so ft h e mr e s p e c t i v e l y b 、 a d o p t i n gt h e s em e c h a n i s m s t h es y s t e mg e t sm o r ef i e x i b i l i t yt h a no t h e r s y s t e m s l nt h ep r o c e s so ff a nd e s i g n i n g , t h es y s t e mm u s td i v i d ea x i a l s t r e a m l i n e ，b yr e s e a r c h i n go nt h eg e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i po ft h e d i v i d ea x i a ls t r e a m i i n g s ih a v ec o n s t r u c t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s o f d i v i d i n ga x i a ls t r e a m l i n e s b yu s i n gt h ev a r i a n tt e c h n i q u e t h ep r o c e s s e so fs t r u c t u r ed e s i g nh a v e m e tb o t ht h e d i m e n s i o n a l r e q u i r e m e n t s a n dc o n s t r u c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，t p a r to f d a t ao r g a n i z i n g b yu s i n gs e v e r a ld a t at y p e s t h es y s t e mc a ns a v et h ep a r t s 、p a r a m e t e r s o ft h ep u m pi m p e l l e r w i t ht h e e x p r e s s i o no ft h em a t h e m a t i c a l r e l a t i o n sb e t w e e nt h ep a r a m e t e r s t h es y s t e mc a ne n s u r et h er e s t r i c t i o n o f e a c hp a r t b yc o n s t r u c t i n gt h em o d e ld a t a b a s ea n dd e s i g nm o d e ld a t a b a s e ，t h e s y s t e m r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fd a t a o r g a n i z a t i o n a n dd a t a m a n a g e m e n t b yp r o g r a m m i n go nt h eo p e ns y s t e mo fa u t o c a d ，t h es y s t e m p r o v i d e st h ef u n c t i o n so fn o n p a r a m e t r i c a ld a t as t o r a g ea n de x t r a c t i o n f r o mt h ea u t o c a d d r a w i n gf i l e 3 p a r to f a n a l y s i s t h ep a r to fa n a l y s i si st i l ek e p a r to fe v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo fd e s i g n r e s u l t u s i n gt h ec f dc a l c u l a t i n gm e t h o di st h ef i n a lg o a lo fa n a l y s i s t i l e a n a l y s i sm e t h o do f t h i ss y s t e mi sb a s e do nt h eu n i t a r yt h e o r yb e c a u s eo f t h e l a c ko f t h es u p p o r to fc f dm o d u l e b ya n a l y z i n go nt h ev e l o c i t yg r a p ha n d v e l o c i t yq u a d r a t u r eg r a p h ，t h ed e s i g n e rc a na p p r o x i m a t e l ye v a l u a t et i l e l i q u i df l o w i n gw a yi nt h ep u m pi m p e l l e r w i t ht h eh e l po ft h es y s t e m ，t i l e s p e c i a lp u m pf a c t o r yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yh a sd e v e l o p e dt h ef m l 2 5 - 10 0 2 0 0p u m p w h i c hh a sb e e nt e s t e dt ob eu pt og r a d e a si sk n o w nt oa l l ，t h ec f dc a l c u l a t i n gm e t h o dm u s tb a s e do nt h e s h a p eo fi m p e l l e rc a v u m ，b ye x t r a c t i n gd a t af r o mt h ep u m pi m p e l l e r , t i l e s y s t e mg i v e st h ed e s i g n e r st h ep o s s i b l ew a y so ft h ep r e c u r s o rd i s p o s a lf o r c f dc a l c u l a t i n gm e t h o d 4 p a r to f e x p r e s s i n gd e s i g nr e s u h t oa g r e ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fp u m pi m p e l l e r , t h ed e s i g nf i l e so f p u m pi m p e l l e ra r en o tt h es a m ea so t h e rp a r t s t h es y s t e mp r o v i d e d t h ef u n c t i o no f g e n e r a t i n gs p e c i a ld e s i g nf i l e sf o rt h ed e s i g nr e s u l t s t ol i n ku pw i t ho t h e rm o d u l e s t h es y s t e mm u s tc o n s t r u c tt h e3 d m o d e lo f t h ep u m pi m p e l l e r t i l es y s t e mr e a l i z e ds u c hf u n c t i o n s b yt h ei n t e g r a t i o nw i t ha u t o c a d t h es y s t e mr e a l i z e dt h e3 dm o d e l o b s e r v i n gf u n c t i o n ss u c ha sm u l t i - v i e w p o i n t so b s e r v i n ga n dr e n d e r i n g i nt h ee n d ib r o u g h tu ps o m ei d e a so i lt h ea p p l i c a t i o no f3 dm o d e l w h i c hc a nb ep u ti n t op r a c t i c eo rw i l lb ep u ti n t op r a c t i c ew i t ht h eh e l p o f o t h e rm o d u l e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h i sp a p e ri so n l yap a r t i a lw o r ko ft h ep u m pd e s i g n i n t e g r a t i o n i ts t i l ln e e d sm o r ek n o w l e d g ea n dt e c h n i q u e st og e tp e r f e c t a n dt i l e w r i t e rr e a l l yh o p e st h a tt h er e s e a r c hn o r kw i l ls o o nb eu s e f o li nt h e a c t u a l p r a c t i c eo fe n g i n e e r i n ga r e a t h ed e s i g ni d e a sa n dr e a l i z i n gm e t h o d sa r eo r i g i n f r o mt h er e f e r e n c ea n dr e l a t e df a c t o r i e sl tm a ys t i l ic o n t a i ns o m ee r r o r s i fy o u h a v ea n ya d v i c e ，p l e a s ec o n t a c tm e 【k e y w o r d s p u m pi m p e l l e r c a d c a e c a m p d mc f d 豢文。i ! 、 中南大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1c a d 技术发展概述 1 1 1c a d 技术发展历程 c a d 技术起步于卯年代后斯。鲫年代，随着计算机软硬件技术的发 展，在计算机屏幕上绘图变为可行，c a d 技术开始迅速发展。人们希望借 助这项技术来摆脱烦琐、费时精度低的手工绘图。此时c a d 技术的出发点 是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是 二维计算机绘图技术。在c a d 技术的发展初期，c a d 的含义仅仅是c o ”l p t t t e r a i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常讨论的c d f c o m p u t e l 。4 i d e d d e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持 续到7 0 年代后期，以后作为c a d 技术的一个分支相对独立平稳地发展。 纵观c a d 技术这四十多年的发展历程，大致经历了以下发展阶段。 6 d 年代出现的二维c a d 系统只是极为简单的线框式的系统。这种初 期的线框式的造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达儿雠数据 间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，翻与c a m 均无法实现。 进入7 d 年代，正值飞机和汽下l ：业的蓬勃发展时期。此间飞机和汽下 制造中遇到了大量的自由曲面问题当时只能采用多截面视图、特征纬线 的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性， 经常发生设计完成以后。制作出米的样品与设计者的想象有很大莘异甚至 完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面的形状能否满足要求也无法保 证所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审和方案比较的依据。 既慢且繁的制作过程大大拖延了产品的研发时间。这种情况下，法国人提 出了贝塞尔算法使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也 使法国达索( d a s s a u l t ) 飞机制造公司的开发者们在此基础上开发出了以表面 模型为特点的自由曲面的建模方法推出了三维曲面造型系统c a t l 4 。它 的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯的模仿工程图纸的三视图模式 中解放出来，首次实现以计算机完整的描述产品零件的主要信息，同时也 使c a m 的开发有了现实的基础。 有了表面模型c a m 的问题可以解决，但由于表面模型技术只能表丛 形体的表面信息，难以准确地表达零什的其它特性，如质量、重心、惯性 矩等，对c a e 十分不利。最大的问题在于分析的前处理特别困难。基丁对 c a d c a e 一体化技术发展的探索s d r c 公司于j 9 7 9 年发布了世界上第 一个完全基于实体造型技术的大璎c 4 d i c a e 软件 d e s 。+ 由丁实体 瀑。；i 霎 中南大学硕士学位论且 第一章引言 造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、 c a m 的模型表达t 给设计带来了惊人的方便性。此后的数年间，实体造型 技术逐渐普及开来。这段时期的造型方法被称作无约束自由造型。这主要 因为这时的造型技术还没有加入工程上的各种约束特征。 年代中期，c v 公司以高级副总裁为首的一些技术人员提出了一种 比自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。从算法上来说 这是一种很好的设想。它主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全 数据相关、尺寸驱动数据修改。为了实施这种设计思想，这些人另外成立 了一个参数技术公司( p a r a m e t l i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，推出了命名为 p r o e n g i n e e r 的参数化软件。它第- - ；k 实现了尺寸驱动零件设计修改使 人们看到了它将给设计者带来的便利性。 9 d 年代，围绕着对参数化造璀技术的“全尺寸约束”问题的讨论义 有人提出了变量化造型技术。这主要是因为参数化造型技术尚有许多不足 之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定干扰和制约了设计者创造力及想 象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期及设计全过程中必须将 形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改 变来驱动形状的改变，一切以尺寸( 即所谓的“参数”) 为出发点。一旦所 设计的零件过于复杂，面对满屏幕的尺寸如何改变这些尺寸以达到所需 要的形状就显得很不直观：再者，如果在设计中关键形体的拓扑关系发生 了改变，失去了某些约束特征也会造成系统数据混乱。但是，如果采月j 变 量化技术，则意味着程序的全部耍新政写，投资和工作量都很大。这种情 况f ，s d r c 公司权衡利弊从j 9 9 0 年到1 9 9 3 年，历经三年投资一亿 多美元，将其1 - d e a s 软件全部重新故写，于1 9 9 3 年推出了全新体系结构 的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。在甲 | j 出现的大型c a d 软件这是唯一家 在9 0 年代将软件彻底重写的厂家。 在欠约束的情况下，方程联立求解的数学处理和软件实现的围雄撑度 要人人高于全参数方稗组的顺序求解s d r c 为攻克这些难题付出了很人 的努力，晟终形成了整套独特的变苗化造型理论及软件开发方法。在， d e a sm a s t e rs e r i e s 软件系列中，变姑化的理念是按以r 步骤一步步实现 的： 1 - d e a s m a s t e r s e r i e sj ：用主模型技术统一数据表达变量化构画草幽 1 d e s m a s t e r s e r i e s 2 ：变量化截面整形 i - d e a s m a s t e r s e r i e s j ：变最化方程 1 d e 4 s m a s t e rs e r i e s4 ：变量化扫掠( 曲面) d e 4 s m a s t e r s e r i e sj ：变量化二维特征 1 - d e a sm a s t e rs e h e s6 ：变量化姨配 变馥化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时义克服它的许多不 足之处。它的成功廊心为c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。 中南犬学顿士学位论义 第章引吉 目前流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e n g i n e e r 为代表的参数化 造型理论和以s d r c i - d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派。它们都属 于基于约束的实体造型技术。 以上这些，从造型角度分析了c 4 d 技术四十多年来的发展历程。总的 说来，从二维的线框模型到三维实体模型，主要是解决的各种图形学的问 题。考虑到设计过程的创造性和复杂性的特点，现在的c a d 系统已不再仅 仅是个二维绘图或三维造型的工具。为了更好地使计算机工具结合设计 过程，因而产生参数化技术、变量化技术等造型方法和理论。而对于c a d 系统二次开发而言，形体的构造主要是由c a d 支撑平台的造型内核的有关 功能去完成，而对具体产品零部仃的| 殳计规划及造型过程则必然是一个基 于约束的设计过程。下面就探讨一r 参数化、变量化技术各自的特点和实 施方法。 参数化、变量化技术简单地说就是在不同的几何元素之间建立各种尺 寸关联或各种几何约束关系，使设计者可以更好地表达设计意图更加灵 活方便地对模型进行修改。 零件上的特征主要是通过参数平几何约束相互关联。参数化技术允许 设计者在创建特征时灵活地定义特征尺寸标注、并在特征尺寸之间通过方 程式建立尺寸关联。其中被约束的尺寸成为参考尺寸。而起驱动作j = i 的尺 寸为驱动尺寸。尺寸之间的关联可以是模型内部尺寸或设计者自行定义的 各种外部参数之间的关系，设计者可以通过修改驱动尺寸修改模烈，由系 统自动去求解其它尺寸的值。因而，这种技术又被称为尺寸驱动技术。特 征间的几何约束关系是指特征上的儿何元素间具有二维或三维的的约束关 系，例如平行、垂直、相切、水平、竖赢、同心、共线、重合等。当模型 被修改时，可以自动保持设计者的意幽不变。 采用参数化。变簧化表达设计意闺时设计者需要在设计开始时考虑女j ： 如何创建模型，如何表达特征之间的关系。例如在草图绘制阶段，应考虑 草图的尺寸标注方法，草图中的幽形与零件上其它特征之间建立何种关系， 也就是特征如何定位。也可以在草剀8 , j l 何元素闻建立几何约束，或在尺 寸之间建立方程式。同样在三维造聚中，也可以采用同样的方法建立不同 特征参数之间的数学关系或几何约求。 1 1 2c 4 d 技术的现状分析 c a d 技术是随着计算机技术的发程孕育而生的，c a d 技术由_ 二维向二 维发展，并迅速推r 普及，与便什的性能不断提高和成本的不断降低是紧 密相关的。尤其是自肋年代末以来，计算机技术更是迅猛发展，c a d 技 术的硬件平台成本从- 二十几万美元一f 子降到只需几万美元。p c 级的翻d 系统应运而生成为技术上的热点。 从当前c a d 市场的分析中可以石山它的分布几乎基金字塔形。从高 中南大学硕士学位论文 第一章引言 端的三维系统到低端的二维绘图软什市场面逐渐拓宽。对于为数众多的 中小企业来说，它们的设计的工作鼙不大零件形状也不复杂，更重要的 是它们也没有足够的资金购买大型高档c a d 软件。因而，在这种“旧时王 谢堂前燕”还不能“飞入平常百姓家”的情况下p c 级的c a d 软件以其 价格优势及平台通用性赢得了中小企业的青睐。传统的高端c a d 生产厂商 也纷纷推出其p c 级的三维软件产品。如u g i i 、c a t i a 、p r o e n g i m 和 1 - d e a s 等。 从中国市场来看，在二维c a d 市场占绝对优势还是a u t o d e s k 公司 a u t o c a d 的装机量1 9 9 9 年仍然稳坐中国c a d 市场第一把交椅，并且把第 二名远远地抛在了后面。但从三维软件的市场趋势来看，a u t o d e s k 的三维 软件m d t 并不看好。为了保住其住c a d 界的地位a u t o d e s k 已经开发并 且即将推出其p c 级三维拳头产品 7 、e n t o r 。 国产二维c a d 软件的开发，经过这些年的发展，已经比较成熟。相对 来讲，国产的三维c a d 软件因为开发时间比较晚，同国外同类产品相比 竞争力要弱一些，但国产软件价格上有一定的优势。目前国内比较成熟 的三维c a d 软件有c a x a d 扭、g 晶( d 、g 卧船、金银花系统等。国产的 三维软件产品在造型内核上一部分选蜩a c l s 内核一部分选择自土开发。 应该来讲，造型内核的冲突并不那么尖锐，因为造型内核只是一个儿何造 型器并不包含诸如参数化或变鼙化技术、工程图纸自动生成等关键技术。 关键还是在于系统的开发水平和功能实现上国产的三维c d 软件还需进一 步提高。 1 1 3c h d 技术发展趋势分析 c a d 技术在过去的几年内，已经顺利地从讹和工作站平台，成功 地转换到| v 7 - 和p c 平台。由丁= p ( 平台的应用面极其广泛，使用者数鼙众 多再加上微软系统软件的巨大集成性功能，造成了多种应用系统的快速 集成成为一种必然趋势。这就是通常所说的c a d c a e i c a m p d m 软件的集 成。在未来的c a d 技术发展方向上，毫无疑问所有新技术的提出与发展都 是以此为发展目标的。 c a d c a e c a m p 的集成的技术问题主要有以下几个方面：dm 1 模型的建立技术 实现d d v 翻剧翻m 的集成，必须建立统一的三维模型。通过建立二 维模型可以表达和传递产品完整的儿何信息，保证设计结果在系统之间 数据传递的一致性和完整性。从造掣的角度来说，复杂的零部件往往由曲 面平实体共同组成( 如离心泵叶轮) 。而目前在造型过程中曲面造璎与实体 造列的集成核心技术还需要进一步的技展和完善。 牲过去的c a d 软件发展过拌当中实体技术与曲面技术一直平行地发 展。同时具有曲面与实体技术的软r 卜，也多以u n d , 平台的大型e d 软什 中南大学硕士学位论文 第一章引高 为主。在p c 软件上，同时具备曲面与实体技术的p c 级软件则以u g 、 p r o ，e n g i n e e r 、1 - d e a s 以及e u r e k ag o m 为代表。这些软件的价位也多半是 | p c 级c a d 软件中较高的。同时，无论哪个同时具有曲面与实体技术的 软件，也没有同时能够推出成熟的实体与曲面技术，更不用说是能够全面 地集成到一个设计环境中了。因此，对于由曲面与实体共同组成的零部件 而言，就需要在一定的二次开发的基础上，使这两者能够根据具体的零部 件特点做到协调统一。 a u t o c a d 作为中国市场的二维c a d 主导产品，从r l l 版开始引进高 级的实体造型方法即。柳高级造型扩展功能( a d v a n c e dm o d e l i n g e x t e n s i o n ) 。a m e 是通过对基本体素进行布尔运算逐步形成的一实体模型。 它允许用多个实心体组成个实体模型。但因为计算速度较慢，不易构造 形状较为复杂的实体，并且a m e 只是a u t o c a d 开发系统的一个应用稃序 系统，还不能称之为三维造型内核使用时还需要将其加载才能运行，因 而逐渐被淘汰。a u t o c a d 从r 1 3 、r 1 4 开始在其系统中采用了s p a t i a l t e c h n o l o g y 公司的a c i s3 1 ) t o o l k i t 作为其造型内核，大大加强了其二维造 型功能，通过采用线框模型、曲面模型和实体模型叠加在一起的复合建模 技术，并且在一定的二次开发的基础上，可以满足当前国内一般中小企业 的二维翻d 设计建模的需求。 2 模型资料的交换技术 数据与资料的存储、传递和交换的实现对于不同系统之间的衔接以及 产品的数据管理( p d m ) 是十分重要的。以此为出发点，即提出了模型资 料的交换技术。它包括以下几项技术： 特征语言技术记录特，征产生方式，再透过各种不同c a d 的驱 动软件产生相同的几何的实体模型边界技术。 c a d 资料p d m 化技术所有的c a d 几何与特征资料以结构化 面向对象的方式存储到_ p d 系统当中，再由p d m 系统之中的信 息转换器，由另一个c a d 软件读出的技术。 s t e p 与p d m 的集成s 陋p 标准不只可以定义几何，井且可 以在未来定义特征以及信息传递的标准模式。因此在p d m 系统 之中e m b e d 4 e ds t e pt r a l “l a t o r 已是c a d 模型资料交换技术上的 共同趋势。 3 c a d 设计方法技术 住一体化的设计环境中设计方法和技术必然会产生新的变化，这包 括的范围很大，既包括系统设计上的新思路，也包括产品设计观念上的新 变化。这里介绍几项主要的技术： 组件设计技术使用白上而下以及自f 而上的双向设计方法与 理念，统一的模型及数据交换渠道为双向设计建立了模型基础。 快速_ 二维幽形建模技术一一建立由- 二维去做三维的设计草幽，以 蕊；垂意， 中南大学硕士学位论文第一幸0 i 吉 及草图设定参数，参数化_ 二维图形，集成工程图建立的技术。 标准件建模技术使用特征语言建立各种标准的零部件库。 设计自动化技术：将许多特定的设计应用所必须使用到的复杂 c a d 与c a e 软件应用步骤设定成自动化的方式，在输入设计 理念与设计参数之后自动去做模型建立和设计验证的工作。 1 2 水泵c a d 的特点及其发展现状 1 2 1 水泵c a d 的特点 1 2 1 1 叶轮设计在水泵设计中的重要性 水泵过流部件的水力设计是水泵设计的核心，它直接关系到泵的远行 效率和使用寿命。叶轮又是过流部什中最关键的部分，被称之为过流部件 的心脏。因而叶轮设计在水泵的设计中具有突出的重要性。 离心泵在国民经济各部门和日常生活中的应用十分广泛。据1 9 8 8 年国 家有关部门统计，离心泵年耗电量5 5 0 亿千瓦，占全国全年发电姑的1 0 左右f 6 1 。而我国离心泵的运行效率平均比国外低1 0 0 一3 0 1 q ，节电j 杵力，艮 大。因此。离心泵的节能降耗是一项十分紧迫的任务。 提高离心泵自身的效率是提高其运行效率的主要方面。圈j 是文献【6 1 中给出的离心泵叶轮和蜗壳水力效率分别随比转数的变化规律。从幽中可 以看出，在大部分比转数范围内，n 1 轮的水力效率比蜗壳要低。阕此提 高叶轮水力效率又是提高离心泵整体水力效率的主要方面。因而，改进设 计方法提高水泵叶轮的设计质量对丁节约能源具有十分重要的意义。 1 0 0 9 5 摹9 0 褂8 5 校 r 8 0 * 7 5 7 0 r 一 一爿p 孓。 b 、一 3 西 s o 05 01 0 015 02 0 02 5 0 比转数 图，水力效率与比转数的关系( 引自文献【6 】) 图例 o 叶轮 6 中南大学硕士学位论文 第一辛，l 言 1 2 1 2 叶轮设计的特点 叶轮设计主要有以下两个方面的特点： 1 水力设计特点 在经典水动力学中，有两大类问题：( 1 ) 正问题：( 2 ) 反问题。正问 题就是根据给定叶栅的叶片形状和i 赢肇来计算叶栅内部流场和叶片表面流 速或压力的分布。反问题就是根据给定叶栅的叶片表面流速或压力分布引 流量来计算叶片形状。 叶轮设计属于反问题，即根据泵的性能要求( 决定于泵内的流动情：兄) 来确定泵流道的几何形状。目前，连二元直接反问题的求解都还处丁起步 阶段。对于指定的流场分布，由丁存在两个自由度：轴面的形状：同 转面上叶片的表面形状。因而，叶轮流道形状不能唯一地确定。冈而一 般来讲可以先假定轴面形状，然后住同转面上求解满足指定流动分布的 叶片表面形状，必要时再修正假定的轴面形状，如此反复完成设计。 但是，迄今为止，直接反问题的方法在叶轮设计中极少采刚其主要 原冈是：泵内流动状况与泵性能之间的关系尚不完全清楚，目前的研究 还只是建立在数理统计的基础上，无法根据泵自q 性能要求来给山n 惜e 内的 流速分布：即使给山了需要的n | 轮l 的流速分布，按照它求出的n 1 片形 状也不能满足诸如强度，j ：艺笛的要求。 兄一方面，这些年来三元止问题求解的方法已渐渐地趋丁成熟国 内外都有一些开发成功的算法模块诈且已取得了实验的验证i ”。要进行 正问题计算必须以1 1 | 片的型腔为基础。因此，为了从性能上保证设计结累 的可靠性在设计思路上只能采h 尤由一元理论进行初步设计，再采川二 l 璺fi - 2 叶轮殴计廿忻系统的f 作过程 ! 堕苎兰堡主兰竺堡兰 笙二主型至 元流动止问题计算作为校核平修nn 手段米进行设计的方法。系统住设计 中即采用了这种方法其1 作过w 知剀1 - 2 所示。在系统开发动机部分会 详细介绍这种设计方法的创新意义 2 结构设计特点 从结构上米看，叶轮由前后两块蔫板和”t 片组