（计算机应用技术专业论文）离心泵关键零部件快速建模技术研究及应用.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 本文针对离心泵关键零部件的快速建模技术进行研究，实现了基于剪裁图和实物的 叶轮建模、叶轮铸造模具的快速建模，并对压水室的快速建模技术进行了分析和研究。 首先，从一般产品设计过程出发，分析了离心泵设计制造过程，给出了零部件快速 建模的过程及其所用到的技术基础，为离心泵零部件的快速建模提供了理论基础。 其次，针对叶片的三种表现形式( 直叶片、单曲率叶片和双曲率叶片) ，基于叶轮的 二维剪裁图，遵循“点一线一面一体”的构型原则，选用s o l i d w o r k s 作为图形支撑软件， 利用v b 设计算法实现剪裁图中的数据到实体表面三维型值点的计算，通过二次开发实现 叶轮的自动设计，得到形象直观的叶轮的数字模型。另外，根据反求工程的实施过程， 得到基于实物的叶轮反求建模的思路是将点云拟合成曲线再形成体，据此分析了曲线拟 合的数学理论基础三次b 样条插值，给出基于b 样条插值的叶轮反求建模算法。 叶轮是水泵的心脏，要想获得性能良好的叶轮，其模具的设计也很关键，在对博泵 科技调研的基础上，分析了现行的叶轮模具的制作过程，提出了采用c a d 技术实现叶 轮铸造模具的快速建模方法，该方法节省了木模制作工序，缩短了制作周期，并大大提 高了制作精度。 最后，针对离心泵的其他关键过流部件压水室的快速建模问题，主要就其螺旋 形和环形的表现形式进行研究，选用v b 对s o l i d w o r k s 进行二次开发的技术，采用人机 交互的方式实现了压水室流道的数字化模型，为实现泵水力设计及三维造型的一体化打 下基础。 关键词：离心泵，叶轮，压水室，c a d ，快速建模，铸造模具 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h er a p i dm o d e l i n gt e c h n o l o g yo fc e n t r i f u g a lp u m p sk e y p a r t s i ta c h i e v e si m p e l l e r s3 dm o u l db a s e do ni t sd r a w i n ga n dp r a c t i c a l i t y , a n dr e a l i z e s i m p e l l e r sc a s t i n gm o u l d ，a n ds t u d i e st h es p i r a lc a s i n g sr a p i dm o d e l i n g f i r s t l y ，s t a r t i n gf r o mt h ed e s i g np r o c e s so fu n i v e r s a lp r o d u c t ，i tg i v e st h er a p i dm o d e l i n g p r o c e s so f c e n t r i f u g a lp u m p sk e yp a r t sa n di t sb a s i ct h e o r y 。s e c o n d l y , b a s e do ni m p e l l e r sp l a n a rd r a w i n g ，i tp u t sf o r w a r da na r i t h m e t i cc a r r y i n go u t t r a n s f o r m i n gf r o mp l a n a rd a t a t ot h r e e d i m e n s i o n a ld a t a a n da i m i n gt ot h r e es h a p e so f b l a d e ，i t a u t o m a t i c a l l ya c h i e v e si t s3 dm o d e lb yt h es e c o n d a r yd e v e l o p i n gt os o l i d w o r k s 、v i t l lv b t h i r d l y ，b a s e do ni m p e l l e r sp r a c t i c a l i t y , i ta n a l y s e sm a t ht h e o r yb a s eo nt h ef i t t i n go f c u r v e s - - _ b s p l i n e a n dd e v e l o p si m p e l l e r sr e v e r s ea r i t h m e t i cb a s e do ni t i m p e l l e ri s t h ew a t e rp u m p sh e a r t t h ed e s i g no fi t sc a s t i n gm o u l di sk e yt oi t s p e r f o r m a n c e t h r o u g hi n v e s t i g a t i n g b o s h a np u m ps c i e n c e ，i ta n a l y s e st h em a n u f a c t u r e p r o c e s so fi m p e l l e r sc a s t i n gm o u l d sa n dt a k e sc a dt e c h n o l o g yt oc o m et r u et h e i rr a p i d m o d e l i n g t h i sm e t h o dl e a v e so u tt h em a n u f a c t u r eo f w o o d e nm o u l d ，s h o r t e n si t sm a n u f a c t u r e p e r i o d ，a n de n h a n c e s i t sa c e u r a c y a tl a s t , i ts t u d i e sr a p i dm o d e l i n go ft h es p i r a lc a s i n gi tc a r r y so u ti t s3 dm o d e li n m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nb ym e a n so f t h es e c o n d a r yd e v e l o p i n gt os o l i d w o r k sw i mv b w h i c h c a nb eu s e dt oa c h i e v ei n t e g r a t i n go f w a t e rd e s i g no f p u m pa n di t s3 dm o d e l k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p ，i m p e l l e r , t h es p i r a lc a s i n g , c a d ，r a p i dm o d e l i n g ，c a s t i n g m o u l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导l i l i 导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 寓璐 时间：z 。疗年月r 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 f 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 鸟谱 锄玄 时间：洳，年6 月，日 b , 寸i n ：谢年sb r 目 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景及研究意义 先进制造技术的广泛应用，对泵的设计水平提出了更高的要求。泵的设计包括水力 设计和结构设计。传统的设计多是用手工，要经过反复修改、逼近，设计工作繁琐，存 在大量的重复性工作，并且误差较大。随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计( c a d l 技术也随之发展起来，c a d 用于泵的设计中，大大提高了泵的设计水平。 国内的泵c a d 软件多是对于某一系列的各个型号的泵的设计，尤其是单级小型离 心泵的c a d 研制较多。系统软件主要采用d o s 、t u r b oc 、b a s i c 等，其可视化和交互 性都较差；支撑软件主要采用a u t o c a d 、d b a s e ( 或f o x b a s e ) ，缺乏三维图形的支撑 软件；应用软件主要集中在基于元理论的水力设计和过流零部件绘图两个方面【1 j 。国 外离心泵c a d 的应用软件都是保密性质的，其内容涉及到水力设计、性能预测等诸多 方面【2 l ：在离心泵的水力设计中，以非粘性不可压三元流动计算为基础的三元设计方法 已经进入实用阶段p j 。 现有软件虽然让计算机代替了大量的手工工作，但仍存在以下缺陷： 没有真正发挥计算机的强大功能设计者在设计中仍要查阅大量手册，专业技 能要求高，设计者的经验占极大比重，在新产品的设计开发过程中，需要进行试制和大 量的实验参数的测量工作，为此需要耗费大量的资金和时间。这从根本上可以说，没有 真正发挥计算机的强大功能。 没有图形支撑软件或采用a u t o c a d 作为图形支撑软件九十年代以来，研究 人员逐步采用w i n d o w s 操作系统来代替d o s 操作系统，其中部分在开发中选用微机上 应用最广泛的c a d 系统软件为图形支撑平台，并选用c a d 系统软件支持的二次开发语 言进行应用软件开发。例如曹立新以a u t o c a d l 2 为支撑软件在a u t o c a df o rw i n d o w s 平台上使用b o r l a n dc 语言开发了离心泵水力计算及模型换算等模块。单明等采用了 c a d k e y 系统软件开发了水泵c a d 系统。此外，陈露等用h c 编译器对a u t o c a d 进 行开发，介绍了一种泵结构设计的途径。王福军利用m i c r o s o f t 程序开发系列语言中的 v i s u a lc + + 开发了新一代离心泵c a d 系统软件，该软件含有包括性能预测在内的十一部 分，具有相当的可靠性和实用性。孙国锌也用v i s u a lc + + 对双流道泵进行了辅助设计。 但他们均没采用图形支撑软件。【4 】由于大部分没有图形支撑软件或采用a u t o c a d 作为图 形支撑软件，使得对于图形的显示特别是三维图形的显示变得非常困难，而没有三维图 形的c a d 软件，极大的限制了它的应用，尤其在c a e 快速发展的今天，没有三维图形 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 的c a d 软件基本上失去了应用价值。 对叶片的研究比较多但对于过流断面检查及随后的计算、轴面流线分点等步 骤采用的都是手工作图时的方法，没有充分地利用计算机工具来计算选取精度更高的点 以进一步提高所设计产品的性能，这与计算机在流体机械领域其他方面的应用程度极不 相符。在叶片水力设计c a d 的输出结果方面，一般是给出二维的叶片剪裁图，这种用 2 d 工程图来描述3 d 产品模型的假三维造型的做法，已不能满足现代c a d c a m 的需求。 随着技术进步和市场竞争的只益激烈，产品的技术含量和复杂程度在不断增加，而 产品的生命周期日益缩短。因此，缩短新产品的开发和上市周期就成为企业形成竞争优 势的重要因素口】。在这种形势下，在计算机上完成产品的快速建模技术变得越来越重要。 下面就叶轮和其它过流部件的快速建模研究现状作一简单介绍。 1 十轮快速建模研究现状 叶轮是泵的核心，也是过流部件的核心，泵通过叶轮对液体作功，使其能量增加。 在国外，叶轮快速建模的研究在八十年代初就已具备相当水平，经过2 0 年的发展，现在 其研究已经达到比较成熟的阶段。主要技术特点是1 6 j ：( 1 ) 在软件方面，比较注重支撑软 件的选择。软件开发的起点高、重复性少，发展较快。( 2 ) 技术内容广泛，包括水力设计、 性能预测、优化设计、功能模块化技术、数据库管理、有限元分析等。 国内对叶轮的研究起步较晚，但也取得了一些成绩，大体分为两类。 夺采用一元理论进行二维设计和绘型这种设计方法主要是为了代替复杂而繁琐的水 力部件的水力模型的计算和绘图口】，其研究已经比较成熟。一元设计理论与实际运 行时的全三维状态相差很大，因此一元设计中加入了大量的经验系数，并且这些经 验系数都没有准确的公式。在设计中，需设计人员根据经验在经验系数范围内选择 某个具体值，设计结果的好坏很大程度上依赖于设计人员的设计经验l s j ，不可避免 的带来一定的误差，从而对泵的性能产生影响。 夺采用三维参数化特征造型随着c a d 系统日趋集成化的发展，近年来，关于叶轮的 三维造型的研究报道已经屡见不鲜。参数化特征模型，是c a d c a m 向集成化、网 络化发展的必要条件【9 】。叶轮参数化建模的过程特别注重参数间约束关系的建立， 如果叶轮功能结构上己存在约束关系，则应建立相应参数间的约束关系，有时为了 适应不同叶片的设计需要，还应人为的修改参数间的约束关系。同一系列产品的第 二次设计可直接通过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而 且影响产品的整个开发周期，设计参数可来自于其他系统。另外运用c a d 软件的二 次开发工具对基于参数化的叶轮造型系统进行设计，可以实现设计系统与图形支撑 平台间的无缝集成与信息共享。这种方法彻底改变了手工设计方法计算机化的常规 做法，为真正意义上实现水泵计算机辅助设计提供了理论基础和实现手段i i 。 2 其它过流部件的快速建模研究现状 泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水室。压水室位于叶轮外围，其作用是收集 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 从叶轮流出的液体，送入排出管。压水室主要有螺旋形压水室( 蜗壳) 、半螺旋形压水室 和环形压水室】。见图1 1 。通过众多学者的努力，现在对一般离心泵蜗壳的设计方法 已经有了较完善的研究。如殷建华早在1 9 8 4 年就对离心泵隔舌间隙对泵效率的影响作了 全面研究；罗崇来于1 9 8 6 年对离心泵压水室喉部面积作了探讨；郭自杰于1 9 9 3 年对蜗 壳的截面形状、隔舌间隙、喉部面积作了较全面的研究；郭自杰( 1 9 8 9 ) 、张俊达( 1 9 9 1 ) 、 袁寿其( 1 9 9 3 ) 等人分别利用面积比原理对离心泵喉部面积进行了研究；文献 1 2 详细给 出了蜗壳的设计方法。 眵一一面 a 环形压水室b 仁蝶旋形雎水窜c 螺旋形压水室 图1 i 压水室形状 本人在对淄博博泵科技进行调研并与有关设计人员进行充分探讨后，对离心泵过流 部件的快速建模技术及其应用进行探索，提出的设计思路见图1 2 。在w m d o w s 平台下， 以s o l i d w o r k s 为图形支撑软件，分别基于过流部件的剪裁图和实物来快速实现其3 d 模 型的非交互( 自动) 造型或者交互式造型。并在此基础上得到铸造模具的c a d 造型，进而 浇铸出零部件；或者利用快速原型机得到其原型，从而可以对产品设计进行快速评价、 修改，以响应市场要求，提高产品的设计质量，缩短产品的生产周期，增强企业的竞争 力，同时也为企业今后发展计算机集成系统( c i m s ) 打下基础。 图1 2 本文思路框图 1 2 与课题相关的技术简介 计算机辅助设计技术 品评价 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，是一种利用计算机硬、软件系统辅 助设计人员对产品或工程进行设计的方法与技术。该技术的广泛应用给设计、制造领域 带来了革命性的变化。机械c a d c a m 技术的研究、开发、推广应用水平已成为衡量一 个国家的科技现代化和工业现代化的重要标志之- - t 旧。 我国离心泵计算机辅助设计的研究工作起步较晚。从2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代中 期，主要研究离心泵水力c a d ，开发成功了基本实用的离一i i , 泵水力设计c a d 软件。进 入9 0 年代后，由于w i n d o w s 操作系统和a u t o c a d 绘图软件的采用，人们开始利用 a u t o l i s p 和c 语言在w i n d o w s 操作系统和a u t o c a d 平台上开发泵的水力设计c a d 软 件。从2 0 世纪9 0 年代中期开始，离心泵c a d 的研究工作向广度和深度方向发展，主 要表现在【1 4 1 ： ( 1 ) 开始了三维造型的研究。 ( 2 ) 出现了实用的商业化的泵水力设计软件p c a d 2 0 0 0 。 ( 3 ) 开展了泵结构c a d 的研究。9 0 年代中期以前，泵c a d 的研究工作主要集中在水 力设计方面，而对泵结构c a d 的研究几乎是空白。由于同一系列的泵产品可能会 有很多的规格，因此泵结构c a d 的研究具有广泛的应用价值。 ( 4 ) 研究内容更加丰富。不但种类增加，而且同一种类，其规格、型号也越来越全。 我国泵c a d 的发展方向： 1 )开发实用的具有三维实体造型功能的泵c a d 软件。现有的水力设计软件在完成水 力设计后，基本上没有进行三维实体造型，无法进行c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，计算机流体动力学) 分析。在现有的条件下，可以充分利用已有的支撑软 件来完成这种过程。 2 )选择优秀的支撑软件，加速泵c a d 软件的开发过程。国内的泵c a d 软件大多是在 a u t o c a d 平台上开发的，要进一步提高软件的功能和加速开发过程，可以选择功能 更强的支撑软件，如p r o 但、u g 等。 3 )将c a d 与c a p p 、c a m 系统进行集成，形成c i m s ，促进我国泵设计、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，还可以大幅度地提高 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，减少泵产品试制 费用，甚至直接利用c f d 的反问题进行水力设计。 快速建模技术 计算机辅助设计的核心问题是几何建模。计算机内部的几何表达可以是二维或者三 维模型。二维模型应用的元素是面向点、线、面或符号，主要用于绘图；在三维建模中， c a d c a m 所基于的几何模型经历了最初的线框模型，到表面几何模型，又到现在的实 体几何模型的发展历程。i l c a d 技术的应用目前已经从传统的二维绘图逐步向三维设计过渡。从实现制造业信 4 生童圣三奎兰塑圭兰堡篁圣童= 童丝丝 息化的角度来说，产品的三维模型可以更完整地定义和描述设计及制造信息。快速建模 就是通过输入必要的参数，由p r o e n g i n e e r 或s o l i d w o r k s 等三维c a d 系统快速产生模 型1 5 j 。三维c a d 系统能够在计算机内部完整和唯一的表示物理对象的几何形状。因此， 三维c a d 系统使设计者能够对复杂的技术结构进行纯几何的但接近真实的描述和研究。 基于三维平台的产品快速建模技术，主要包括基于特征的建模技术，“后台预置”快速装 配技术，以及基于相似理论的产品快速建模方法。 本文所用的快速建模是基于特征的建模技术。基于特征的产品建模是将产品的信息 表达为特征的有机组合，并进行计算机模型化处理，为c a d c a m 系统所共享。特征包 括几何特征和语义特征，这里用的主要是几何特征。s o l i d w o r k s 提供了强大的用户二次 开发程序包a p i ，可将由用户提供的图纸得到的几何特征数据存放在v b 数据库中，将 需要用户输入的参数单独放在界面上，直接对数据库进行操作，形成点、线、面，进而 完成实体建模。基于特征建模，可以使构造和修改模型的时间大大地缩短，并使设计过 程更符合用户的思维方式。本文对于水泵的建模就是通过v b 来调用s o l i d w o r k s 的a p i 函数进行快速建模。 利用快速建模技术，在产品设计的初期易于发现设计缺陷，可以大幅度提高设计效 率，减轻设计人员的劳动强度，缩短产品设计周期，使产品的设计变得直观、轻松。 逆向工程技术 在产品的开发及制造过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但是，由于种种原 因，仍有许多产品并非由c a d 模型描述，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应 先进制造技术的发展，需要通过一定途径，将这些实物转化为c a d 模型，使之能利用 c a d 、c a m 等先进技术进行处理。目前，与这种从实物样件获取产品数学模型相关的 技术，已发展成为c a d 、c a m 中的一个相对独立的范畴，称为“反求工程”( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 。反求设计的基本过程可以由图1 _ 3 表示。 照片、图片或实物模型 功能比较与分析 功能原理分析运动实现分析机构分析 样机或虚拟样机瞄= 力分析k 二二j 零部件初步设计与选择瞄二 结构设计分析 卜 分析过程 “设计过程 比较过程 图1 3 反求设计的慕本i 寸稗 在影响泵性能的因素中，叶片的数量、叶片的布置形式、叶片的空间工作角度、副 叶片的形式与布置方式、叶轮与动力轴的联接方式、叶轮材料等都将影响泵最终的工作 性能，在诸多因素对泵性能的影响未能精确描述以前，为了在短期内得到性能良好的产 品，可以首先应用反求设计的思想方法，根据已有的高性能设备的照片、图片或模型， 生童矍三查兰堡圭兰堡丝圣 董= 塞丝篁 逆向逐步求解设备的总体设计方案、结构配置方案、运动方案、零件结构与功能等，使 所设计的设备在总体性能上比较近似的逼近原有的先进设备，这是一种行之有效的方法。 目前，反求工程技术主要应用于泵特性曲线的拟合【1 6 1 、形状拟合【1 7 1 等方面。泵零部 件，作为独立的零件，不构成个比较复杂的系统，其典型的反求过程是：先直接测量 模型上的特征数据点，再对测量数据进行预处理，然后建立三维模型，再进行后续的计 算和分析。 本文基于s o l i d w o r k s 三维平台对离心泵关键零部件的逆向造型遵循：点一线一面 一体的一般原则。利用逆向工程技术，可以在短时间内准确、可靠的复制实物样件，可 以获得设计过程中设计对象结构的直接经验，为实际样品的设计制造提供了很好的借鉴 和事前评价。 1 3 本文的主要工作 离心泵设计的基本任务是根据流量、扬程、转速、汽蚀余量等给定参数，设计出水 力性能良好的离心泵。水力性能取决于离心泵内流动状况，而流动状况则是由离心泵过 流部件的几何参数所决定的。因此，水力设计的任务就是确定过流部件的最佳几何尺寸， 包括叶轮入口直径、叶轮出口直径、叶片出口直径、叶片数、轴面流道形状、叶片平面 投影及压水室形状等等。本文主要对离心泵叶轮扭曲叶片的现代设计方法和加工方法的 应用、离心泵其他过流部件的计算机辅助设计方法进行了研究。 主要内容如下： 离心泵关键零部件快速建模基础介绍了一般产品设计过程，以此为基础，分 析了离心泵的设计制造过程，给出了关键零部件的快速建模模型，并介绍了快 速建模技术基础。 基于剪裁图的离心泵叶轮快速建模原理与算法研究提出了叶轮快速建模的原 理，给出了由叶轮二维剪裁图自动实现叶轮三维实体的算法，并就叶片的三种 形式对该算法进行了验证，得到形象直观的叶轮的数字模型。 基于实物的离心泵叶轮反求建模算法研究根据反求工程的实施过程，得到叶 轮反求建模的思路是将点云拟合成曲线再形成体，据此分析了曲线拟合的数学 理论基础三次b 样条插值，给出基于b 样条插值的叶轮反求建模算法。 离心泵叶轮铸造模具的快速建模技术研究根据叶轮的组成部件，指出实现叶 轮模具的砂型构成，在对博泵科技调研的基础上得到了现行的叶轮模具制作过 程，分析了其过程的繁琐，在前两章的基础上，提出叶轮铸造模具的快速建模 技术。 离心泵其它过流部件的快速建模技术给出了压水室( 螺旋形、环形压水室) 流道 快速建模的算法研究，包括其基本思想和具体步骤。 6 皇至至三奎兰堡圭兰堡兰兰丝三耋堑篁 论文结构如图1 4 所示。 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 第三章基于剪 裁图的离心泵叶 轮快速建模原理 与算法研究 第四章基于 实物的离心泵 叶轮反求建模 算法 i 究 第六章离心 泵其它过流部 件的快速建模 技术研究 第五章离心泵叶轮铸造模具的快述建模技术研究 图1 4 论文结构图 7 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 据德国机械制造工作者协会的统计，在机械行业中5 5 的产品为局部创新的适应性 设计，2 5 为新设计，2 0 为变型设计i i 酬( 图2 1 ) 。显然大部分的设计需要创造性与灵活 性。在产品设计过程中，创新性表现最为集中、最为突出的阶段是产品的方案设计阶段。 实践证明，产品创新主要来自方案设计阶段所涉及的功能、原理、形态、布局和结构等 方面的创新。目前关于产品创新的方案设计机理、方法以及计算机辅助快速建模的研究 已成为先进制造与自动化技术领域的热点问题。 图2 1 机械行业中的产品设计类型比 自9 0 年代初我国实施c a d 应用工程以来，在水泵行业c a d 设计的开展虽普遍受到重 视，但基本仍处于初级的c a d 绘图阶段，主要是应用于整个设计过程中的“中下游”设 计阶段，即设计方案的具体实现阶段。因此，为适应泵的设计创新需要，有必要对水泵 快速建模的方案设计机理进行研究，在介绍了泵零部件的快速建模基础上，建立了一个 满足水泵设计实际需要的建模方法。对泵的设计过程进行总体分析，针对泵的产品特点， 总结设计过程中的设计规律，探讨其设计创新机理，并适应计算机辅助设计的需要，建 立反映泵的设计经验知识、设计方法以及设计规范的方案设计模型。 2 1 一般产品设计过程 一般产品设计过程包括以下几个阶段【4 l ： 1 阐明任务书：信息方面的确定； 本阶段主要获取对解提出的要求、存在的条件及其重要性等信息，工作的结果为 些查矍三奎兰璧圭兰堡篁兰 差；耋查竺董耋堡童堡垒竺耋鹜堡董塑 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 据德国机械制造工作者协会的统计，在机械行业中5 5 的产品为局部创新的适应性 设计，2 5 为新设计，2 0 为变型设湃吲( 图2 ”。显然大部分的设计需要创造性与灵活 性。在产品设计过程中，创新性表现最为集中、最为突出的阶段是产品的方案设计阶段。 实践证明，产品创新主要来自方案设计阶段所涉及的功能、原理、形态、布局和结构等 方面的创新。目前关于产品创新的方案设计机理、方法以及计算机辅助快速建模的研究 已成为先进制造与自动化技术领域的热点问题。 图21 机械行业中的产品设计类型比 自9 0 年代初我国实施c a d 应用工程吼来，在水泵行业c a d 设计的开展虽普遍受到重 视，但基本仍处于初级的c a d 绘图阶段，主要是应用于整个设计过程中的“中下游”设 计阶段，即设计方案的具体实现阶段。因此，为适应泵的设计创新需要，有必要对水泵 快速建模的方案设计机理进行研究，在介绍了泵零部件的快速建模基础上，建立了个 满足水泵设计实际需要的建模方法。对泵的设计过程进行总体分析，针对泵的产品特点， 总结设计过程中的设计规律，探讨其设计创新机理，并适应计算机辅助设计的需要，建 立反映泵的设计经验知识、设计方法以及设计规范的方案设计模型。 2 1 一般产品设计过程 般产品设计过程包括以r 几个阶段 4 l ： 1 阐明任务书：信息方面的确定： 本阶段主要获取对解提出的要求、存在的条件及其重要性等信息，工作的结果为一 本阶段主要获取对解提出的要求、存在的条件及其重要性等信息，工作的结果为一 生童矍三奎耋堡圭兰篁篁兰丝三童童窒至耋矍量墼丝堡薹垄堡董型 张要求表，并根据设计开发和各个后续工作步骤的需要加以修正和调整，要求表是后续 方案设计、技术设计等各步工作的依据。 2 方案设计：原理方面的确定 方案设计是设计过程中，在阐明了任务需求后，从中抽象出问题的本质，建立功能 结构，通过寻求合适的作用原理并将其组合成作用结构，从而确定原理解。其工作步骤 如图2 2 所示【1 8 】。 i 2 竺 一 确定要求 转入设训方案 抽象化以便认清本质问题 建立功能结构 寻找作用原理以实现各功能 将作用原理组合为作用结构 选出合适的组合 具体化为原理解的变形 根据技术准则和经济准则进行评价 确定原理解( 方 案) 转入技术设计 详细设计阶段 图2 2 方案设计的工作步骤 3 技术设计：结构方面的设计： 技术设计是对一个产品，从作用结构或原理解出发，根据技术观点和经济观点来明 确的完整的拟订组合结构，即原理解的具体结构化，从而完善整个设计方案。 4 施工设计：制造技术方面的确定。 施工设计就是对产品的组合结构加以补充，并完成物质上能得以实现和利用的有约 束力的图纸和其他文件，如零件图、装配图、总图、零件表等。施工设计的结果是确定 生产技术的解，同时包括编制使用说明书。 1。i方案设计i。1。 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 2 2 离心泵快速建模过程 在上述一般产品设计过程的指导下，可以得到离心泵的快速建模过程：在阐明了离 心泵设计的基本任务后，进行水力设计分析，然后确定关键零部件的快速建模方案框架 模型。 2 2 1 水力设计 离心泵水力设计的基本任务是根据给定的扬程、流量、汽蚀余量、效率等设计参数， 设计出具有良好能量特征和汽蚀特征的离心泵过流部件形状。而其中最关键的就是叶轮 部件【1 4 l 。 叶轮主要几何参数有叶轮进口直径d o 、叶片进口直径d 一、叶轮轮毂直径d h 、叶片 进口角b l 、叶轮出口直径d 2 、叶轮出口宽度b 2 、叶片出口角d 2 和叶片数z 。叶轮进口几 何参数对汽蚀具有重要影响，叶轮出口几何参数对性能具有重要影响，而两者对效率均 有影响。图2 3 为叶轮的几何形状和主要尺寸参数。 图2 3 叶轮主要尺寸 一、叶轮进口直径的确定 叶轮进口直径又叫叶轮吸入眼直径或叶轮颈部直径。叶轮进口速度和叶轮进口直径 有关。决定叶轮内水力损失的速度是相对速度的大小和变化，所以应当考虑泵进口对相 对速度的影响，通常在叶轮流道中相对速度是扩散的，即1 ) 啦。这样，从减小进口撞击 损失和流道扩散损失考虑，都希望减小l 。下面从使l 最小的观点，推导计算叶轮进口 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵关键零部件快速建模基础 直径的公式。 设v u l 卸，由叶轮进口速度三角形得到 奸= v ：，+ “? 叶轮进口速度u l 等于 驴蠢即 式中d 一叶轮叶片中问流线的进口直径。 叶轮进口直径d o 和d i 的比值用k l 表示，即 d 1 = k l d o 于是 甜l = - - 6 0 - ”k l d o h 设叶片进口的轴面速度v m 为 = 半 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中的k 2 是修正叶轮进口和叶片进口过水断面和速度分布不同的系数。k i 是叶片进 口排挤系数。 将式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 代入式( 2 1 ) ，得 小( 小孙2 + 蔫眨s ， 为求对应l 最小的d 0 ，用上式对d 0 求导数，令攀：o ( 2 7 ) d d ； 、。 因为有的叶轮有轮毂，有的叶轮没有轮毂，故考虑一般情况，引出叶轮进口当量直 径d e ，以耽为半径的圆管断面积等于叶轮进口去掉轮毂的有效面积，即 d ；= 瑶一簖 ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 得 d 。=孵摆嗡浮 ( 2 9 ) 式中寸_ 泵的流量( 米3 ，秒) ，对双吸泵取q 2 。 根据统计资料，对大多数泵为 k o = 3 5 - - 4 0 二、叶轮出口直径d 2 的初步计算 叶轮外径d 2 和叶片出口角p 2 等出口几何参数，是影响泵扬程的最重要的因素。影 响扬程的几个参数之间互为影响，因此，假定某些参数为定值的条件下，求解叶轮外径 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵关键零部件快速建模基础 d 2 。 因为压水室的水力损失和叶轮出口的绝对速度的平方成正比。因此，我们把在满足 设计参数下使叶轮出口绝对速度最小作为确定d 2 的出发点。 由叶轮出口速度三角形 v ；= v ：+ v ： ( 2 1 0 ) 叶轮出口轴面速度和圆周分速度v u 2 均与叶轮外径有关，现将v 2 表示为d 2 ( u 2 ) 的函 数。由基本方程式 v 。：盟 ( 2 1 1 ) h 0 h 由出口速度三角形 v 。2 = ( “2 一v 。2 ) 增2 ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) ，经整理，得 咖( 器卜洲) 泖：一警f 9 2 历( 2 1 3 ) v 2 是出口圆周速度u 2 的函数，为求v 2 最小时的u 2 ( d 2 ) ，v 2 对u 2 取导数，令磐：o 化简得 如2 赢s i n 2 q _ 1 4 2 玑2 将“：= 百0 2 7 7 代入上式，得 。：= 丽6 0 t 厅2 玑s i n 履 胛 三、螺旋式压水室断面的计算 螺旋式压水室螺旋线开始的位置称为隔舌。隔舌所在半径1 3 ，称为基圆半径。沿压 水室断面的流量是隔舌与断面问夹角( p ( 以下称为安装角) 的函数，可以从连续性方程得 到，安装角币的压水室断面流量是 g ：罢缈 ( 2 1 6 ) 即螺旋式压水室断面的流量和断面的安装角平成比例。 当给定泵的技术参数时，q 、v 2 可知，那么对于给定尺寸断面的过流能力可以计算。 微元流量 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 峨= 撕。= 去r 2 ；西 沿断面由r 3 到r 积分，则沿整个断面的过流量是 g = 去r 2j ： 2 2 2 关键零部件快速建模框架模型 在建立泵方案设计模型中主要涉及两个方面的知识：( 1 ) 设计方法学知识，即解决 产品设计进程的一般性理论、研究进程模式、战略与各步骤相应的战术。( 2 ) 设计对象 领域的专业知识，即关于泵这种具体的流体通用机械中所涉及的专业领域的知识。对图 2 2 的工作流程进行分析，方案设计中关键性的一步就是如何建立产品设计要求的功能结 构。因为产品的设计要求是最精炼的产品功能描述，如何将抽象的产品设计要求转换为 具体的、现实的功能要求充分体现了人的创造活动。结合建立泵方案设计模型所涉及的 知识，得到泵类零部件快速建模的逻辑模型如图2 4 所示。 图2 4 泵零件快速建模逻辑框架模型 逻辑模型说明如下： 1 从上图可以看出，系统的设计、分析和造型都是以泵零部件为中心运行的。水力 模型库用来存储优秀的水力模型数据，为算法设计提供必要的数据来源。设计模型库对 ， z 掩 ( 口 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵关键零部件快速建模基础 零部件的数据进行存储和管理。整个模型相互联结，成为一个有机的整体。 2 水力设计与结构设计两部分主要是根据设计要求，结合水泵设计者的经验，完成 零部件建模参数的初始确定过程。设计模型库存储的是设计零部件时的有关信息。设计 模型库通过组织和存储这些信息为以下几个方面的应用提供了必要条件：i 模型重建。 i i 与其它部件模型的协调设计。 3 算法设计是从零部件图纸中提取数据，进行分析和计算，这是保证设计可靠性的 关键部分。该部分是本论文的重点研究内容。 4 二次开发是在完成设计分析得到零部件模型的相关数据后的工作。首先要确定 c a d 软件和开发工具。本论文选用v i s u a lb a s i c6 0 对s o l i d w o r k s 进行二次开发。 s o li d w o r k s 是一套基于w i n d o w s 的c a d c a e c a m p d m 桌面集成系统，它有着易用和友好 的界面，其灵活的操作方式和面向对象的操作特点，得到了业界广大工程师的一致认可 1 2 0 l 。该软件可以最大限度地满足设计者的设计意图，操作简单，功能强大，容易上手， 但是对于企业的一些特殊要求，利用s o li d w o r k s 现有的功能模块不能实现，所以有必要 对其进行二次开发。在产品设计过程中，有些问题是相同或相似的，可以通过二次开发， 解决一些共性问题，这样就可以减少重复性工作，从而节省时间，提高效率 6 1 。另外由 于s o l i d w o r k s 是美国人写的，不符合中国的国标( 如基准符号、放大图的标注、剖视图 的标注、装配图的序号、标题栏等) ，也没有适合我国国标的标准件库。因此，为了适应 特定企业的特用，就必须对其进行本地化和二次化的二次开发工作，对s o l i d w o r k s 进行 必要的补充，以满足用户的需要。 5 三维造型完成泵各个部件的造型工作。对于一个非水泵设计专业人员来说，一张 剪裁图纸可能无法使其弄明含义，三维造型使设计的结果表达的更为直观。 2 3 离心泵- 陕速建模技术基础 结合一般产品设计过程，分析了离心泵设计制造过程，得到其快速建模技术基础包 括关键零部件过流部分的曲线曲面设计、c a d 系统的二次开发和快速原型技术。 2 3 1 关键零部件过流部分的曲线曲面设计 对泵内结构进行分析后，要用一组定义明确的规则来求解其三维模型，即用曲线曲 面来描述其模型，如图2 5 。在计算机辅助几何设计中，可将曲面分为两类：一是规则曲 面，例如柱、锥、球、直纹面等，它们可以用参数方程解析地描述：另一类是不规则曲 面，例如b 晒e r 曲面、b 样条曲面、n u r b s 曲面等，它们常用双参数曲面法【1 8 】描述。 竺至耋三奎兰至圭耋堡篁兰 丝三兰童竺圣耋堡茎塑丝堡堡塞堡耋堡 图25 叶片的工作面和背面 在造型空间中，若将曲面上任一点p 的每个坐标都表示成某个平面参数点( u ，v ) 的 函数x = x ( u ，v ) ，y = y ( u ，v ) ，z = z ( u ，v ) ，三个坐标分量就组成曲面上该点的位置矢 量，曲面被表示为参数的矢函数。因此，空间中的一张曲面可用参数( u ，v ) 表示为 p ( u ，v ) = x ( u ，v ) ，y ( u ，v ) ，z ( u ，1 例 ，力q( 2 1 9 ) 这种形式的曲面被称为参数曲丽。其中q 为参数平面上的一个区域，用 “【o ，1 】，v 【0 , 1 】来表示。曲面上的点与其参数域内的点( 即参数值) 之间的对应关系称为 曲面的参数化。 如图2 6 所示，在曲面上有两个方向，即沿u 参数的方向和沿v 参数的方向。固定v 参数不变，沿u 参数方向逐点变化而生成的曲线，称为u 向等v 参数线，该曲线的切矢 称为曲面的u 向切矢。同样道理定义v 向切矢。与曲面u 向切矢和v 向切矢都垂直的方 向称为曲面的法矢方向。 图2 6 曲面的双参数表示法 s ( 1 功 如图2 6 所示，对于参数平面o - u v 上任意一点( i 】0 ，”o ) ，曲面片上总有一点e ( u o ，v o ) 与之对应。同样，对于参数平面上正方形域的四条边v = 0 ，v = l ，u = 0 ，u = l ，则分别对 应着曲面片上的四条边界曲线s ( u ，o ) ，s ( u ，1 ) ，s ( o ，v ) ，s 0 ，v ) ；而正方形域的四个 顶点分别对应着曲面片上的四个角点s ( o ，o ) ，s ( o ，1 ) ，s 0 ，o ) ，s 0 ，1 ) 。 自由曲面的构造形式可以看成是“双参数、二次调配”，即先通过参数u 将点调配成 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵关键零部件快速建模基础 曲线，然后通过参数v 将曲线调配为曲面。因此，式( 2 ，1 3 ) 可写成： p ( u tv ) = x ，( “) 只x ) 7( 2 2 0 ) t = 0i = 0 上式中，m 、r 1 分别是关于参数u 、v 的调配函数的次数，肼”称为曲面的次数 x i ( u ) 、x j ( v ) 分别是关于参数u 和参数v 的调配函数，h 是给定的已知几何条件。 2 3 2c a d 系统的二次开发 。由于离心泵关键零部件造型的空间扭曲性，采用现有的c a d 系统直接实现其三维 模型的操作比较复杂，故需要对c a d 系统进行二次开发来自动实现其造型。 许多企业已经越来越多的认识到，在通用三维c a d 软件平台上开发产品，可以更 有效地满足设计需求和提高设计效率，加速新产品设计进程，从而提高企业在市场中的 竞争力，实现企业盈利的目标。由于一些高端三维造型软件如s o l i d w o r k s 、p m e 、u g 、 c a t i a 等造型功能及造型效果优秀，使用这些软件来实现水泵c a d c a m 是一条捷径。 本文所进行的离心泵关键零部件快速建模的研究主要是基于s o l i d w o r k s 这一软件包利用 v b 对其进行二次开发实现的。 v i s u a lb a s i c 是成长和发展的非常快的一门语言。从它诞生之日起，它就以其非常 方便的编程环境、简单易懂的编程语言和直观的编程结果而迅速吸引了一大批编程人员。 无论是专业编