（机械制造及其自动化专业论文）无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场的分析.pdf

j 、j 、乙- ，! ， 、 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y p a r a m e t e rm o d e l i n ga n dt e m p e r a t u r ef i e i d a n a l y s i so ft h eo i l f r e es c r o uv a c u u mp u m p b ys h e n gl i n s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a n gg u a n g y a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 i一ii。 、11-， 1j-ll、 1 ，- 1 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 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谢意。 学位论文作者签名：端林 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：姝 签字日期： ti l厂l一 h _ ， ，石 f_，_-v猖 口 ： ： 年 名 期 两 签 日 师 字 导 签 、k i 、- ， v ，i，一 东北大学硕士学位论文摘要 i i 无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场分析 声 摘要 无油涡旋真空泵以其清洁度高、运行平稳、节省能源、体积小、重量轻、 噪音低等特点一经推出就获得了广泛的应用。但由于其在研制、设计、加工、 制造过程中的技术问题，目前国内还没有厂家大规模生产。研制符合中国市场 要求的无油涡旋真空泵填补国内空白就成为国内科技工作者的重要任务。 本文是结合无油涡旋真空泵的实际开发项目，建立了无油涡旋真空泵的参 数化三维实体模型，并对参数化模型进行了有限元分析。对于无油涡旋真空泵 的参数化建模，模型的修补、参数化载荷的施加以及动、定涡旋盘体的温度场 等问题进行了较为深入的研究。 本文运用有限元分析软件a n s y s 对无油涡旋真空泵实际物理模型，动涡 旋盘、定涡旋盘的温度场、应力场及其产生的热变形进行了模拟和研究。采用 u g 软件建立了无油涡旋真空泵动、定涡旋盘的三维实体模型，模型中包括了 零件的材料特性，模型可以在任何方向激活来观察，还可以随意更改变化尺寸 以进行评估。为了达到优化动、定涡旋盘几何形状的目的，a n s y s 软件被用 来分析其温升、应力与热变形，其结果验证了无油涡旋真空泵动涡旋盘、定涡 旋盘设计的合理性，对无油涡旋真空泵的设计有所帮助。 本文运用u g 二次开发的g r i p 语言来建立无油涡旋真空泵的三维参数驱 动模型。输入主要的建模参数，自动建立参数最优的无油涡旋真空泵的三维模 型，所生成的模型允许在u g 环境下进行手动修改，实现了无油涡旋真空泵的 自动化设计，提高了设计的准确性与效率。 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理有限元分析命令，就可以实现参 数化建模、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化载荷和边界 条件定义等功能。本文综合运用了有限元分析软件a n s y s 的二次开发语言 a p d l 和u i d l 来进行编程最终达到对无油涡旋真空泵实际物理模型。动涡旋 盘的基于变量为时间和空间的热载荷方程式的参数化加载状态的控制。文中还 涉及到热载荷方程式的计算过程以及有好的用户交瓦界面的制作。因此本文还 将对基于a n s y s 的参数化设计将有所帮助。 本文还实现了u g 与a n s y s 软件之间的通信，成功地实现了模型的修补、 传输等处理工作，使处于a n s y s 环境下的导入模型能够顺利地进行网格划分， 加载以及运算等进一步工作。这样一来，使u g 和a n s y s 这两个大型软件有 i i 士学位论文 摘要 起来，有效地拟补了a n s y s 软件对于复杂三维实体模型的局限性， 题的有限元分析在过程和结果上更加简化和准确。 无油涡旋真空泵；参数化建模；参数化载荷；温度场；u g 二次开发； a n s y s 二次开发 ， 9 叶 。 东北大学硕士学位论文a b s 豫c t p a r a m e t e rm o d e l i n ga n dt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s o ft h eo i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p a b s t r a c t w j t hh j g hc l e a n n e s s ，s i m p l es t r u c t u f e ，s m a l l e rs i z ea n d1 0 wn o j s e ，t h eo j l - f r e e s c r o l lv a c u u mp u m pi sw e l c o m ei nt h ef i e l do fo i l - f r e ev a c u u mo b t a i n m e n t a l t h o u g hm a n ym a n u f a c t u r e r sh a v eb e e nr e s e a f c h e do nt h i sp u m pi no u rs t a t e ， t h e r ei sn oo n eh a v i n gt h ea b i l i t yt 0p r o d u c et h ep u m p d e v e l o p i n g0 i l - f r e es c r o l l v a c u u mp u m pw h i c hm e e tt h en e e do fs t a t ei st h ed u t y0 fi n t e r n a ls c i e n t i s t s e n g a g i n gi nm yh j e r o p h a n t sk e yi t e m ，t h ep a r a m e t e rd e s i g na n di t sf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s0 ft h eo i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m pa r er e a l i z e d p r o b l e m ss u c ha s t h eo i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p sp a r a m e t e rd e s i g n 、m o d e l sr e p a i r i n g 、p a r a m e t e r 1 0 a d s1 0 a d i n ga n dt h et e m p e f a t u f ef i e l do ft h ef i x e da n do r b i t i n gs c r o l la r ed e e p l y e n g a g e di nt h i sp a p e r t i e m p e r a t u r ef i e l d 、 s t r e s sf i e l da n dt h ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt h eh e a to ft h e s c r o l lv a c u u mp u m pw e r es i m u l a t e da n ds t u d i e dw i t haf e a lp h y s i c a lm o d e l0 ft h e f i x e ds c r o l la n do f b i t i n gs c r o l lo f0 i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m pb a s e d0 n 厶n s y si n t h i sd i s q u i s i t i o n u gs y s t e mi su s e dt 0c f e a t es o l i dm o d e l0 ft h ef i x e ds c r o l la n d o r b i t i n gs c r o l l0 fo i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m pw i t hm a t e r i a lp r o p e r t y t h es o l i d m o d e lc a nb ev i e w e da n dc h e c k e di na n yd i r e c t i o na n dt h es i z e0 ft h em o d e lc a nb e c h a n g e dt 0e v a l u a t et h ed e s i g n i no r d e rt 0o p t i m i z et h eg e o m e t r y0 ft h ef i x e d s c r o l la n do r b i t i n gs c r o l lo fo i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m p ，a n s y ss y s t e mi su s e d t 0a n a l y z et h e i rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，s t r e s sa n dh e a td e f o r m a t i o n a n a l y z er e s u l t p r 0 v e dc o r r e c t i v e0 ft h e0 r i g i n a ld e s i g n0 ft h es c r o l l p u m p ，a n dt h er e s u l t sc a nb e o fs o m et e c h n o l o g i c a li n t e r e s ti nt h ed e s i g n i n go ft h eo i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p g r i p t h eu gs y s t e m ss e c o n dd e v e l o p i n gl a n g u a g ei su s e di n t hi sp a p e rt o r e a l i z et h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo ft h eo i l - f r e es c r o nv a c u u mp u m p ：r h e b e s tm o d e lw i l lb es e tu pa u t o m a t i c a l l ya f t e re n t e r i n gs e v e r a lk e yn u m b e r s ， m o r e o v e r ，t h a tp a r a m e t e rm o d e lc a nb em o d i f i e di nt h eu gs y s t e m c o n s e q u e n t l y ， t h e0 i l - f r e es c r o l lv a c u u mp u m p sa u t o m a t i cd e s i g nc a nb ea c h i e v e da n dt h e v e r a c i t ya n de f f i c i e n c ya r ei m p r o v e d i v k # ， ； 。k，了 东北大学硕士学位论文 a b s t m c t 、 p a r a m e t e rm o d e l i n g 、 g r i dd i v i s i o na n dc o n t r o l 、 m a t e r i a ld e f i n i t i o n 、 l o a d i n g a n db o u n d a r yc o n d i t i o n sc a nb ea c t u a l i z e dw h e nu s i n gt h ea p d lp r o g r a m m e l a n g u a g ea n d m a c r ot e c h n i q u et oo r g a n i z ea n dm a n a g et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o m m a n d so ft h ea n s y ss y s t e m i nt h i sd i s q u i s i t i o n ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t l a n g u a g ea p d l a n du i d la r eu s e ds y n t h e t i c a l l yt op f o g r a m m ew i t ht h ep u r p o s e o fc o n t r o l l i n gt h es t a t eo ft h ep a r a m e t e rh e a t l o a di n f i i c t i o nt h a tb a s e do nt h e v a r i a b l e so fs p a c ea n dt i m eo nt h er e a lp h y s i c a lm o d e lo ft h eo i l - f r e e s c r o l l v a c u u mp u m p t h ef i x e ds c r o l l t h ew a yt oc a l c u l a t et h ee q u a t i o no ft h eh e a tl o a d a n dt h em a k i n go ft h eu s e r si n t e r f a c e sa r ea l s or e l a t e di nt h i sd i s q u i s i t i o n t h i s d i s q u i s i t i o n c a nb eo fs o m et e c h n o l o g i c a li n t e r e s ti nt h ep a r a m e t e rd e s i g n i n g w h i c hi sb a s e do nt h ea n s y ss y s t e m p r o b l e m ss u c ha st h ec o m m u n i c a t i n go ft h eu gs y s t e ma n dt h ea n s y s s y s t e m ， a n dt h em o d e i sr e p a i r i n ga n dt r a n s m i s s i o na r er e a l i z e di nt h i sp a p e r c o n s e q u e n t l y ，w o r ks u c ha st h eg f i d d i v i s i o n 、 l o a d i n g 、 a n dc a l c u l a t i n go ft h e m o d e li nt h ea n s y ss y s t e mc a nb ed o n es u c c e s s f u l l y t h e r e f o r e ，t h eu gs y s t e m a n dt h ea n s y ss y s t e ma r eu n i t e dt o g e t h e ro r g a n i c a l l ya n dt h i sc o m b i n a t i o n c o m p e n s a t e dt h el i m i t a t i o n0 ft h ea n s y ss y s t e mw h i c hc a nn o tb u i l dac o m p l e x m o d e le a s i l y a l la b o u tt h i sc a nd ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp r o j e c t sw i t h e a s i e rp r o c e s sa i l db e t t e rr e s u l t k e yw o r d s ： o 订f r e es c r o l lv a c u u mp u m p ； p a r a m e t e fm o d e l i n g ；p a r a m e t e r l o a d i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； u gs e c o n d d e v e l o p i n g ； a n s y s s e c o n dd e v e l o p i n g v 0 蕾v jl y l 严 毒 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 历史和发展1 1 2 无油涡旋真空泵的工作原理2 1 3 无油涡旋真空泵的特点与应用3 1 4 课题的来源和意义4 1 5 课题的研究内容和方法5 1 5 1 课题研究的内容5 1 5 2 课题研究的方法5 第2 章参数化建模7 1 2 1 无油涡旋真空泵的型线理论7 2 2 参数化设计1 0 2 2 1 参数化设计概述1 1 2 2 2 参数化设计的特点1 1 2 2 3 参数化设计方法的类型一1 2 2 3u g 概述1 2 2 3 1u g 简介1 2 2 3 2u g 二次开发1 3 2 4 模型参数的计算1 6 2 4 1 抽速的计算1 6 2 4 2 壁厚的计算1 9 2 4 3 节距和涡旋体高度的计算1 9 2 5 建模过程1 9 2 5 1 控制参数输入界面制作1 9 2 5 2 绘制参数化中心体实体2 0 2 5 3 绘制涡旋体2 1 2 5 4 密封圈实体的绘制2 1 了 目录 4 4 3 实验结论4 9 4 5 本章小结5 0 第5 章总结与展望5 1 5 1 总结一51 v 守 d 东北大学硕士学位论文 目录 l： 5 2 展望5 2 参考文献：5 3 致谢5 5 0作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文一5 7 l n r 嚼v ，滞、外秒 ， 0 东北大学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 1 历史和发展 第1 章绪论 早在1 8 8 6 年，意大利人就建立了基本的涡旋概念。涡旋机械的理论最早 由法国人l e o nc r u e x 提出，并于1 9 0 5 年在美国获得专利，论述的内容是关 于可以逆转的涡旋膨胀机。l e o nc r u e x 的涡旋发动机专利( r o t a r ye n g i n e ) 涡 圈采用圆渐开线，动涡旋盘采用公转结构，涡旋盘壁端部设计有密封材料。 涡旋技术在此后的7 0 多年时间里一直没有实用化，原因主要有两个： 没有精密的涡旋型线加工技术：没有满足性能要求和安全可靠的机构。 直到2 0 世纪7 0 年代，高精度数控铣床的出现，给涡旋机械的生产带来可 能，涡旋机械实用化的研究增多起来。 7 0 年代n o y o u n g 和j e m c c u l l o u g h 等提出了一系列关于涡旋机械的专 利，对涡旋机械的发展起到巨大的推动作用。1 9 7 3 年美国a r t h u r d l i t t l e 公 司进行了用涡旋机械压缩氮气的研究，指出了涡旋机械的应用关键在于建立自 我补偿的密封装置，为涡旋机械的大规模开发奠定了基础。 很快涡旋理论投入了实用化，初期主要应用于压缩机领域，与其它机型相 比，涡旋压缩机具有效率较高、振动小、噪声小、结构简单、可靠性高等优点， 自投入使用以来，应用范围不断扩大。从单级的空气压缩机发展到多级压缩的 涡旋机组，从最初适用于柜式空调器全封闭制冷压缩机到窗式空调的的小功率 压缩机及汽车空调系统的开启式涡旋压缩机。t r a n c e 、h i t a c h i 、c o p l a n d 等著 名公司的涡旋压缩机技术与产品引领了世界涡旋技术实用化的浪潮，带动了冰 箱、空调等诸多行业的技术进步和产品的更新换代i l l 。 2 0 世纪9 0 年代初期，日本日立、岩田公司等首先生产出了无油涡旋真空 泵产品。因为在将低压侧气体排向高压侧这一点上，无油涡旋真空泵工作原理 与压缩机基本相同，所以真空泵的结构大多与压缩机相似。但是虽然无油涡旋 真空泵与涡旋压缩机的工作原理基本相同，两者之间的运行条件却有相当大的 差别：无油涡旋真空泵的压缩比非常高；在极限真空压力下没有气体排出。 无油涡旋真空泵极限真空度与抽气能力等指标不是决定于封闭压缩腔内气体 的压缩，而是决定于封闭腔间隙的泄漏；振动与噪音等指标不仪仪决定于运动 件的平衡，还有应力、热变形与热膨胀等影响因素起作用。这对无油涡旋真空 泵的设计及生产提出了较高的要求。 联轴器：8 、大涡旋盘；9 、电动机；1 0 、机架 一2 绪论 ( 1 ) 、 ，3 1 l ， t l 毒 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 无油涡旋真空泵的工作原理如图1 3 所示。图中示出了涡旋盘的6 个横截 面图，分别表示动涡旋盘与定涡旋盘在工作过程中的不同位置。当气体从外侧 工作腔吸人并被封闭在月牙形封闭腔内时，随着接触点沿涡旋线方向往中心移 动，封闭腔容积逐渐变小，气体不断被压缩，最终从中心排气孔排出。由于曲 轴每转一转，都有一对新的月牙形封闭腔形成，所以泵的吸气压缩排气 过程被不断重复1 2 l 。 ( a ) ( d ) ( b ) ( e ) ( c ) ( f ) 图1 3工作原理图( 白色为定涡旋盘，黑色为动涡旋盘) f i g 1 3o p c r a t i n gp r i n c i p l c ( w h i t es t a n d sf o rt h ef i x e ds c r o l la n d b l a c ks t a n d sf o r t h eo r b i t i n gs c r o l l ) 1 3 无油涡旋真空泵的特点与应用 在现有的无油真空泵当中，无油涡旋真空泵与其它种类的无油真空泵相比 具有下述特点： ，7， ， 本课题采用u g 二次开发技术和a n s y s 二次开发技术，创建了基于u gn x 4 平台的无油涡旋真空泵三维参数化建模模块和基于a n s y s l 0 0 平台的参数化 加载模块。无油涡旋真空泵研究人员无须考虑泵体的建模过程，只需要通过参 、 l 牮 q馐-， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 数的输入就可由本系统自动生成参数最优的无油涡旋真空泵三维模型，简化了 设计过程，提高工作效率，使原先需要较长时间的建模过程缩短到几分钟即可 完成。并且在参数化模型的有限元分析过程中，参数化载荷的加载模块极大地 方便了研究人员的分析过程，并且使所分析的数据更加接近实际工况。由此 u g 系统创建的模型可供设计者对所设计的无油涡旋真空泵进行修改、校核、 试验或数字加工之用。由此a n s y s 系统创建的参数化模块可以供设计者实现 对a n s y s 环境下的有限元模型进行轻松而且精确的加载过程1 1 3 1 1 14 1 。 1 5 课题的研究内容和方法 1 5 1 课题研究的内容 ( 一) 运用u g 二次开发语言和功能实现对无油涡旋真空泵的关键部件一 动、定涡旋盘体进行三维参数化实体建模和运用a n s y s 二次开发语言的强大 功能实现复杂载荷的施加过程。 ( 二) 将三维实体参数化模型导入有限元分析软件a n s y s ，并利用该软件 对涡旋机构的整个工作过程进行温度场分析。根据各个部件在不同工作状况的 受力情况，传热情况对网格化后的模型施加载荷并求解。通过观察节点位移、 节点和单元的应力和应变等数据。 1 5 2 课题研究的方法 ( 一) 调研和结构分析：收集国内外相关资料，分析无油涡旋真空泵的工 作原理和基本结构，为零部件参数设计作好前期准备工作。 ( 二) 参数化虚拟建模：利用g r i p 语言，基于三维设计平台u g 的系统 环境建立自动优化参数的无油涡旋真空泵参数化模型。 ( 三) 参数化载荷的施加：综合利用a p d l 和u i d l 语言进行编程建立起 a n s y s 环境下的模型参数化载荷施加的模块以达到精确分析有限元模型的目 的。 士学位论文 第1 章绪论 6 l q v l 仑 砷 东北大学硕士学位论文第2 章参数化建模 第2 章参数化建模 2 1 无油涡旋真空泵的型线理论 无油涡旋真空泵涡旋盘结构大都采用如图2 1 所示的单涡旋渐开线涡圈。 涡旋盘上从基圆处发生并形成一条采用圆渐开线的涡旋线。 图2 1 单涡旋渐开线涡旋盘 f i g 2 1o n ec i r c l ci n v 0 l u t cs c r o l ld i s c 涡旋盘副如图2 2 所示，是由基圆发生并形成两条采用圆渐开线的涡旋线， 它们自身相差1 8 0 0 。理论上涡旋盘甚至可以象叶轮机械那样，设置z 个采用圆 渐开线的涡旋线。 图2 2 涡旋盘副 f i g 2 2s c r o l l s 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化建模 关于涡旋型线，国内外学者先后还研究过圆弧型线、正多边形渐开线、变 径基圆渐开线、代数螺线及阿基米德螺线等单一普通型线构成的涡旋1 1 5 l ，以 及分段曲线构成的混杂型线涡圈n 引，对于单涡旋，采用圆渐开线作为涡旋型线 时，如图2 3 所示动涡旋盘与定涡旋盘涡旋形状完全对称，比较易于加工。 图2 3 形状相同、对称圆渐开线无油涡旋真空泵( 黑色为动盘) f i g 2 30 i l f r e es c r o l lv a c u u mp u m pw i t ht w os a m es c r o l li ns h a p e ( b l a c ks t a n d sf o rt h eo r b i t i n gs c r o l l ，w h i t es t a n d sf o rt h ef i xs c r o l l ) 实现无油涡旋真空泵正常工作的必要条件是，动涡旋盘与定涡旋盘能够啮 合。所谓啮合，是指定涡旋盘的涡旋体在泵内的任一点，必有动涡旋盘涡旋体 上的一点与之对应，实现瞬时接触形成封闭月牙形腔。 涡旋无油真空泵型线的构成应符合如下原则： ( 一) 对于动涡旋盘或定涡旋盘上位于泵内任一给定点，在定涡旋盘或者 动涡旋盘上，必有且只有一点与之啮合，并且内侧壁面上的点与外侧壁面上的 点相啮合。 ( 二) 当涡旋壁面上一对共轭点相啮合( 接触) 时，动、定涡旋盘涡旋型 线特征形状几何中心之间的距离，不随主轴转角而变化。( 特征形状，指反映 涡旋型线类型的几何形状，如对于圆形渐开线涡旋型线，就是指其基圆。) ( 三) 一对啮合点相啮合时，啮合点所在的涡旋壁面的切向相互平行，并 且与通过涡旋型线特征形状几何中心之间连线方向相垂直。 由图2 4 可看出，正多角形的渐开线是一条用圆弧连接成的光滑曲线，而 圆的渐开线是一条用无限短的圆弧连接成的曲率连续变化的光滑曲线。以圆渐 开线作为无油涡旋真空泵的理论及工程设计方法最为成熟，制造也比较方便。 1 v 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化建模 图2 4 直线段，正多边形和圆的渐开线 f i g 2 4 i n v 0 l u t e0 fl i n c ，r e g u l a rp o l y 9 0 na n dc i r c l e 目前几乎所有的无油涡旋真空泵都采用圆的渐开线型线，当涡旋体高度与 壁厚、吸气容积与行程容积比一定时，圆渐开线与其它渐开线相比构成的涡旋 型线及组成的压缩腔具有如下的优点： ( 一)具有最少的涡旋型线圈数n 。 ( 二)具有最短的轴向间隙泄漏线长度l r 。 ( 三)具有最短的特征形状几何中心至渐开线终点的距离。 ( 四)当吸气容积增大时，n 、l f 、的增加幅度最小。 综上与其它类型的渐开线型线相比，圆渐开线无油涡旋真空泵具有更加紧 凑的结构与良好的工作性能。下面仅就这种渐开线的几何理论进行讨论。 从加工工艺考虑，圆的渐开线可以根据展成原理加工涡旋体，所以，圆的 渐开线是最适合与构成涡旋型线的曲线。目前已经商品化的无油涡旋真空泵主 要都是采用圆渐开线作为涡旋型线。 如图2 5 所示，以渐开角9 为参变量，则圆的渐开线方程为： y 一 a 飞 。 o f ： a 图2 5 渐开线参数方程 f i g 2 5 e q u a t i o no fi n v o l u t c r 口哆s ? + 竽嘤 ( 2 ) l y 口( s i n 妒一妒c 0 s 妒) 、 。 北大学硕士学位论文第2 章参数化建模 式中： 口一基圆半径 妒一渐开角 圆渐开线涡旋型线的基本参数： 基圆半径 渐开线节距 渐开线发生角 涡旋体壁厚 涡旋体高度 涡旋线圈数 口 p 一2 石口 口 f = 2 口口 n 渐开线的渐开角妒i h + 万2 动、定涡旋盘基圆中心距离，一p 2 一f ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 考虑到涡旋盘的壁厚f ，以口表示涡旋盘壁内、外侧渐开线起始点的发生 与x 轴的夹角，则涡旋盘壁的内、外渐开线的参数方程为： f 薯一口【c o s ( 妒一口) + 驴s i n ( 妒一口) 】 【y ；2 口【( s i n ( 驴一口) 一驴c o s ( 驴一口) 】 ( 2 6 ) 厂称为转动半径，工作中动涡旋盘的基圆中心绕定涡旋盘的基圆中心作半 为，的圆周轨道运动。 动涡旋盘的运动是由偏心轴驱动的。理论上偏心轴的中心线，应与定涡旋 通过基圆中心的中心线相重合，曲轴的中心线，应与动涡旋盘通过基圆中心 中心线相重合，故，又称为偏心轴的偏心量。 只有满足，p 2 一f 的涡旋型线组合，方可构成封闭的容积腔。 2 参数化设计 参数化设计是近几年随着计算机技术的发展新兴起的先进造型技术，数字 型间的尺寸通过函数相关连，这样通过几个主要的参数控制整个模型各其它 关连部分的尺寸。设计中采用参数化技术可以大大提高设计效率，并有助于 减轻设计人员工作强度，尤其适用于系列化产品的设计与开发。 1 0 町把 晰善善蜘 东北大学硕士学位论文 2 2 1 参数化设计概述 第2 章参数化建模 参数化设计是r e v i lb u i l d i n g 的一个重要思想，它分为两个部分：参数化 图元和参数化修改引擎。r e v i tb u i l d i n g 中的图元都是以构件的形式出现，这 些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字 化构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对设计或文档 部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能构 件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联p 构件 的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联 的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化、双向的传播到所有视图，以保 证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和 工作质量。 2 2 2 参数化设计的特点 用c a d 方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发 效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、 性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。 参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。 对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。 。在c a d 中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表 示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结 构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺 寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。 工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和 逻辑上的关系来表示。 在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要 求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每 次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种 尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参 数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变 参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计 意图。 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、 相似设计及专用c a d 系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设 计中的参数化建模方法丰要有变量几何法和基于结构牛成历程的方法，前者丰 东北大学硕士学位论文 第2 章参数化建模 要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。 而本文的u g 参数化设计方法与u g 环境实现无缝的集成，交互性和通用 性好，使用方便快捷，减少了工程设计人员的工作量，避免了重复劳动，缩短 了无油涡旋真空泵的设计周期。 2 2 3 参数化设计方法的类型 参数化设计方法可以分为程序参数化、交互式参数化、离线参数化三个大 类，请参见图2 6 。 图2 6 参数化设计方法的分类 f i g 2 6t h ec l a s s i f i c a t i o no fp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g nm e t h o d s 在这些方法中，程序参数化方法是最早并且是最常使用的方法1 1 7 l l l 3 l i l 9 l 【2 1 。 程序参数化方法通过分析几何模型的特点，确定模型的主参数以及各尺寸间的 数学关系，将这种关系输入程序中，进而在零件设计时只要输入几个参数就可 生成所要求的模型。这种方法只有修改程序，才能对模型进行修改，当程序完 成后，对产品模型进行修改就变得非常困难，因此，适合结构已经固定了的一 些标准件的参数化1 1 22 1 。尺寸驱动是对程序驱动的扩展，它的基本思想是由应 用程序生成所涉及的基图，该图的尺寸有一系列的标识，这些尺寸由用户在编 程时输入或交互式输入，从而生成用户的模型。 本系统采用现在较流行的交互式参数化设计方法，通过用户输入数据进行 三维建模，同时对数据的有效性进行计算，适时地与用户进行弹出窗口式交互， 来获得新数据，修改错误信息，属于混合式系统。 2 3u g 概述 2 3 1u g 简介 u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司( 简称u g s ) 是全球著名的m c a d 供应商，主要 一一一一 lii_tiii_i 东北大学硕士学位论文第2 章参数化建模 为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其 虚拟产品开发( v p d ) 的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与 服务在内的完整的m c a d 解决方案。其主要的c a d 产品是ug ，u g 是一个集 成化的c a d c a m c a e 系统软件，它为工程设计人员提供了非常强大的应用 工具，而这些工具能对产品进行设计、工程分析、绘制工程图以及数控编程加 工等操作。随着版本的不断更新和功能的不断扩充，u g 更是扩展了软件的应 用范围，面向专业化和智能化发展。u n i g r a p h i c s 软件( 以下简称u g ) ，是日前 世界上最先进的面向制造行业的c a d c a m c a e c a p p 高端软件之一。 2 3 2u g 二次开发 2 3 2 1u g 二次开发过程 u gt o o l s 是u g 软件为用户或第三方开发人员提供的最主要的开发工具。 它主要由u g o p e na p l 、m e n u s c r i p t 和u i s t y l e r 三个模块组成2 3 l ： ( 一) u g o p e na p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 是u g 软件包中的 一个重要模块，e d s 公司根据“开放性设计 的发展趋势提供给用户的u g 二 次开发工具。它和u g 一同发布，其目的是使集成的应用程序，包括u g 自身 提供或第三方开发的应用程序能够在不同软硬件平台、网络或i n t e r n e t 的计算 机上实现数据共享。利用u g 0 p e na p i 提供的应用程序和开发工具，能够使用 户实现： a ) 通过u g 0 p e na p i 与u g 对象模型交互： b ) 生成并使用用户自定义对象u d o ( 也称为c u s t o m o b j e c t s ) ，包括管理它 们与u g 对象的相关性，提供一种更新和显示用户自定义对象的方法； c ) 为第三方应用程序定制u g 风格化界面； d ) 利用u g o p e n 相关产品如i m a n 、i t k 和p a r a s o l i d ； e ) 当新的u g o p e n 技术可供利用时，采用并将其与u g 集成。 u g o p e na p l 二次开发工具主要包括u g 提供的以下4 个开发模块： n x o p e nf o rc c + + n xo p e nf o rj a v a n xo p e nf o r n e t n x o p e nf o rg r i p 可以看出e d s 提供给用户的u g 二次开发工具对目前丰要的编程语言都有 良好的支持。作为u n i g r a p h i c s 与外部应用程序之间的接口，u g o p e na p i 是 一系列函数的集合，允许程序访问并改变u g 对象模型的程序集。u g o p e na p i 封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数，它可以对u g 的图形终端、文件管理系统 制”m e n ”文件，链接界面与编译好的程序文件。建立环境变量及相关的用户 执行目录。三者正确完成后，相互链接，建立相应的二次开