基于UG平台的离心泵叶片的三维几何建模及优化.pdf

基于 UG 平台的离心泵叶片的三维几何建模及优化 王宏伟余学军刘小兵张惟斌 西华大学 能源与环境学院 成都 610039 3D geometrical modeling and optimization for blade of centrifugal pump based on UG software WANG Hong wei YU Xue jun LIU Xiao bing ZHANG Wei bin Xihua University Chengdu 610039 China 文章编号 1001 3997 2010 08 0110 02 摘要 研究基于 UG 软件的强大建模功能和曲面编辑功能 采用NURBS 方法建立离心泵叶片的 空间样条曲线 并应用类流线的方法对叶片进行优化 使叶片在保持原有形状的基础上更为光滑 对叶片 进行几何造型 本研究为离心泵的 CFD 分析和性能预测提供了准确的几何物理模型 关键词 UG 离心泵叶片 三维 几何建模 优化 Abstract It investigates the modeling method of centrifugal pump blade On the basis of UG soft ware s strong modeling and curved surface editing functions spacial spline curves are built under the NURBS method And the geometrical modeling of blade is finished on them Blade is optimized by using the measure of allied fluid curve which make blade more smooth without modifying its original shape The 3D modeling of balde lays a foundation for following CFD analysis and performance forecast Key words UG Blade of centrifugal pump 3D Geometrical modeling Optimization 中图分类号 TH16文献标识码 A 1 概述 离心泵叶片是离心泵能量转换的关键部件 由于叶片的表面 是一个非结构化的 空间扭曲的自由曲面 一直以来 工程上常采 用木模图来对叶片进行加工及放样从而表达离心泵叶片 控制叶 片的加工精度和测量精度 随着计算机辅助设计和制造技术的快 速发展 采用木模图来表达离心泵叶片的方法已经逐渐不能满足 现代设计和制造的要求 首先 无法直接把木模图引入计算机辅 助设计和制造系统 这就大大影响了叶片的优化设计和制造 其 次 直接采用木模图 其加工出来的三维几何体会出现褶皱或者 畸形 不能保证叶片的光滑 再次 无法将应用于加工制造的木模 图应用于叶片的流场计算 叶片强度和振动等问题的数值计算方 面的研究 1 2 因此 本文在 UG 三维建模软件平台的基础上 提出 了一种结合木模图数据采集 利用 NURBS 方法来对离心泵叶片 进行建模 并应用类流线方法对叶片进行优化的建模新方法 2 离心泵叶片三维造型 2 1 离心泵叶片三维造型原理 首先利用 AutoCAD 将已知某离心泵叶片木模图的二维线条 表示出来 再将其导入 Gambit 中并按空间距离叠放 做出工作面 图10 X 方向压力分布图 4 结束语 由于在密封过程中 阀座与球体密封面相对固定 不能运动 故在受到预紧力和流体压力后 密封环的内径轴向相对于中部变 形裕量小 受到的挤压力较大 密封环的径向相对于中部变形裕 量大 受到的挤压力也相对较小 另外 虽然球体与阀座接触 但 由于毛细现象而有流体介质存在 当球体沿流向有相对运动时 球体与阀座更加紧密接触 从密封面边缘到中部的流体介质越来 越少 所以 密封面边缘处在介质与球体的双重作用下 受力略大 于密封面中部 因此 在密封面上密封比压呈抛物线分布 在边缘 环面 由于受预紧力 介质施加力和金属球体综合作用 故产生有 波动的变化曲线 尤其在密封面外径处影响更大 故由于毛细现 象的影响 取密封面中部的密封比压作为整个固定球阀的密封比 压是合理的 根据图十取得密封面中部的压力值为 40 16MPa 结 合上述理论密封比压的计算值 40 17MPa 两者之间的差值为 0 01MPa 误差不到 3 可见用有限元计算得出的固定球阀的密 封比压的值是可信的 而且可以完全反映出密封比压在整个阀座 上的分布情况 从而对整个阀门的设计提出可靠的设计依据 参考文献 1杨源泉 阀门设计手册 M 北京 机械工业出版社 1992 12 2陆培文 阀门设计手册 M 北京 机械工业出版社 2007 9 3 张华友 晏泽荣 陈元芳 袁玉求 球阀设计与选用 M 北京 北京科学技 术出版社 1994 5 4俞树荣 高扬 张希恒 基于有限元的浮动球阀密封比压分析 J 阀门 2006 2 25 28 系列 1 7 00E 01 6 00E 01 5 00E 01 4 00E 01 3 00E 01 2 00E 01 1 00E 01 0 00E 01 13579 11 13 15 17 19 21 23 25 系列 1 引用 2 来稿日期 2009 10 22 基金项目 四川省教育厅重点项目资助 2006ZD027 MachineryDesign Manufacture 机械设计与制造 第 8 期 2010 年 8 月110 和背面的轮廓线 将 Gambit 中生成的 B 样条曲线导入 UG 软件 中 利用 NURBS 方法对叶片进行初步造型 根据初步造型所发 现的问题 进一步对叶片进行优化加工 直至绘制出较为理想的 离心泵叶片三维几何模型 NURBS 即曲面建模 该方法由 B 样条曲线构造空间曲面 NURBS 模型是用数学表达方式构建的曲线和曲面来表现模型的 结构 因此能很好的控制曲面的曲率和精细程度 从而能够创建 更为精确的模型 本文采用的类流线优化方法也是基于该原理 在模型初步生成的基础上做出更多的 B 样条曲线 从而生成更 为光滑的模型 2 3 2 2 离心泵叶片三维造型的方法 2 2 1 利用木模图绘制叶片曲线 在 AutoCAD 软件中绘制出木模图 通用的木模图在表示叶 片时一般都给出等高面上的叶片截线的图形及数据 如图 1 所 示 为了方便后期对叶片进行加工 我们同时绘制出叶片的轴面 投影图 如图 2 所示 图 1 叶片工作面和背面截线投影图图 2 叶片轴面投影图 2 2 2 在 Gambit 中生成叶片工作面和背面的轮廓线 将 AutoCAD 绘制好的叶片工作面和背面的曲线以此导入 Gambit 软件中 并根据各截面图形对应的空间位置关系生成相 应的几何叠加 应用 B 样条曲线分别连接工作面和背面的头部 及尾部端点 从而生成叶片的轮廓线 如图 3 所示 2 2 3 三维叶片的造型 将Gambit中已经排好的所有型线导入UG绘图软件中 应用 曲面生成功能 可以造出工作面和背面的初步形状 3 4 如图4所示 图 3 叶片型线空间布置图 图 4 叶片初次造型 3 离心泵叶片的优化 很明显 叶片的工作面和背面进水边一侧存明显的褶皱和凹 凸 因为这一侧的控制线较少 且曲线的曲率较大 这种叶片显然 不符合叶片的数控加工和数值分析计算的要求 因此我们考虑对 叶片进行优化加工 4 这里采用通过类流线法对叶片进行优化造 型 其主要操作步骤为 首先确定离心泵叶片的轴线 然后绘制轴 截面 进一步绘制出轴截线 最后按着一元理论绘制出类流线 最 终的类流线 如图 5 所示 图 5 类流线 有了更多的类流线来控制曲面造型 我们就可以重新生成较 为光滑的曲面 如图 6 所示 图 6 优化后的叶片 最后我们通过 UG 软件中自由曲面延展的方法使叶片分别 于前盖板和后盖板相交 用 UG 软件中的相应工具截取多于部 分 根据设计要求 将单个叶片绕 Z 轴旋转 环形阵列生成 6 个叶 片 如图 7 所示 将离心泵的前盖板和后盖板生成以后于叶片装 配 最终可以得到离心泵转轮整体模型 如图 8 所示 4 5 图 7 叶片布置图图 8 离心泵转轮模型 4 结论 本文利用 AutoCAD Gambit 和 UG 软件对离心泵叶片的实 体建模进行了探讨 并且讨论了一种优化叶片的方法 即类流线 法 结果表明 利用该方法建立的模型 可以真实完整的反应叶片 的形状 优化后的叶片表面的褶皱和凹凸消失 为后续叶片的性 能分析 数控加工等方面的工作提供了方便 参考文献 1邵国辉 赖喜德 双吸三元扭曲叶片离心泵的造型 J 农机化研究 2007 6 194 196 2黄道见 黄程 离心泵叶轮三维造型 J 农机