离心泵叶轮的三维CAD系统设计及仿真.pdf

离心泵叶轮的三维 CAD 系统设计及仿真 王新华马永超吴 婷 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 北京 100022 Design and emulation of 3 D CAD system on centrifugal pump impeller WANG Xin hua MA Yong chao WU Ting College of Mechanical Engineering Applied Electronics technology Beijing University of Technology Beijing 100022 China 文章编号 1001 3997 2009 01 0050 03 摘要 针对我国离心泵 CAD 的研究和发展趋势 建立了基于 Windows 环境下的开放式 可扩充 的低 中 高比转速离心泵叶轮三维 CAD 设计系统 根据离心泵水力设计原则 完成了泵参数设计模块 叶轮参数设计模块 叶片绘型模块及接口输出模块的设计 开发了一套参数化 CAD 设计系统 实现了离 心泵叶轮空间扭曲叶片的三维实体造型设计及仿真 关键词 叶轮 CAD 系统设计 仿真 Abstract Toward the trends in research and development of CAD system in centrifugal pump an open ended 3 D CAD system of centrifugal impeller is established about low medium and high specific speed based on Windows environment According to the hydraulic design principle of centrifugal pump the design modules of pump parameter impeller parameter blade plotting as well as interface parameters out putting are finished and a set of parameterized CAD design system is developed Thus the 3 D solid mass design and emulation of spatial warping blade in centrifugal impeller is carried out Key words Impeller CAD System design Emulation 中图分类号 TH311 TH391 9文献标识码 A 来稿日期 2008 03 18 离心泵是一种应用广泛的工业泵 作为离心泵的关键部件叶 轮 其叶片的制造技术和制造质量直接影响到泵的水力性能 汽 蚀性能及运行稳定性 1 2 采用传统方法制造离心泵的叶轮叶片模 具 不仅费时费力 且制造精度低 随着现代制造技术的飞速发 3 软件实现 提出的算法由 VC 6 0 的编程仿真进行了验证 运行结果 如图 4 所示 a b 图 4 加工曲面和使用传统等残留高度法加工的刀具轨迹 图 4 a 显示的是要加工的曲面 图 4 b 显示的是使用传统 的等残留高度法加工的刀具轨迹 右半部分显示的轨迹线不够理 想 出现了拐点 所以引进参量 图 5 a 显示的是当 v 0 05 时的 刀具轨迹 图 5 b 显示的是当 v 0 001 时的刀具轨迹 从加工的 方便程度来讲 v 0 001 时的刀具轨迹更好 4 结论 在刀位点的计算中 铣刀刀轴旋转的两个角度 和 实际上 包含了采用五轴数控机床时的情况 实验证明 参数行距方向摆动 修正值 v为 0 001 0 003 范围内得到加工轨迹平滑性最好 这种 改进的基于等残留高度的刀具轨迹算法保证了在等残留高度的前 提下 使得加工行距最大 并保证加工轨迹线尽可能平滑 避免了由 于自由曲面局部形态变动较大而使得加工轨迹出现突变的情况 a b 图 5 改进的等残留高度法加工的刀具轨迹 参考文献 1朱心雄 自由曲线曲面造型技术 M 北京 科学出版社 2000 2 任秉银 唐余勇 数控加工中的几何建模理论及其应用 M 哈尔滨 哈尔 滨工业大学出版社 2000 3陈涛 钟毅芳 周济 自由曲面5轴数控加工刀位轨迹的生成算法 J 机械 工程学报 2001 37 12 4霍颖 杨茂奎 用改进的等残留高度法生成五轴NC加工刀位轨迹 J 制造 技术与机床 2005 3 MachineryDesign Manufacture 机械设计与制造 第 1 期 2009 年 1 月 50 展 离心泵的计算机辅助设计已从 CAD 日益向 CAM 以及 CAD CAM 的集成领域扩展 将 CAD CAM 用于离心泵叶轮的模具设 计 无疑是离心泵制造技术发展的一个重要环节 3 1 离心泵叶轮 CAD 系统的设计 利用计算机完成离心泵叶轮空间扭曲叶片的水力设计 生成 Pro E 接口文件 并通过一定的数据交换 建立三维模型 可大大 提高设计的效率和质量 离心泵叶轮的 CAD 系统设计分为泵参 数设计模块 叶轮参数设计模块 叶片绘型模块 接口文件输出模 块等四个模块 采用图形用户界面 GUI 通过菜单控制程序执 行 通过对话框和属性表对话框实现用户和系统之间的交互 1 1 泵参数及叶轮参数设计模块 根据泵的水力设计过程以及便于设计参数调用 泵参数设计 模块包括新建泵参数设计模块和读取泵参数设计模块两个子模块 新建泵参数设计模块由主要参数设置 确定比转速 汽蚀比转 速 效率估算 泵理论扬程流量和各种功率 泵进出口直径 泵轴最 小直径参数等组成 首先 把泵参数模块中的每一个参数模块创建 成一个个的属性页 并由CpropertyPage 类派生所对应的类 然后生 成对象成员 最后 用 CpropertySheet 类派生成 WizardSheet 类创 建向导属性表 并把各属性页所对应的类生成对象变量加入 Wiz ardSheet类中 在新建泵参数设计模块中 泵的设计参数以文件方式 保存 通过设计读取现成数据的接口模块 读取保存的泵参数数据 叶轮参数设计同样包括新建叶轮参数设计模块和读取叶轮 参数设计模块两个子模块 其设计思想同泵参数设计模块 1 2 叶片绘型模块 叶片绘型模块包括轴面流道绘制模块 轴面流道过水流断面 变化检查模块 轴面流线绘制模块 确定叶片进口安放角模块等 四个模块 1 2 1 轴面流道绘制模块 叶轮各部分的尺寸由泵参数设计模块和叶轮参数设计模块 通过速度系数法得到 如图 1 所示 通过前盖板出口部分倾角 f 前盖板圆弧半径 R1 后盖板出口部分倾角 b 后盖板圆弧段半径 R2确定切点坐标 画出轴面投影图 图 1 叶轮数学模型 具体的绘图步骤 1 在图中必要关键点处设置节点 将前 后盖板的圆弧圆心分别定为O1 O2 前盖板的圆弧端点设为 A1 前 盖板与斜线切点设为 A2 后盖板圆弧端点设为B1 后盖板与垂直直 线的切点设为B2 2 设置坐标 把后盖板处圆弧端点 B1的横坐标 设为0 即B1的坐标定为 0 dh 2 其中dh为叶轮轮毂直径 则B2坐 标为 R2 dh 2 R2 O2坐标为 0 dh 2 R2 其他节点坐标则根据几 何关系可依次算出 计算出这些点的坐标后 利用 VC 提供的图 形函数绘出轴面流道的流线图 1 2 2 轴面流道过水流断面变化检查模块 画好轴面投影图后 应检查流道的过水断面变化情况 如图 2 所示 曲线 AEB 和各轴面流线相垂直 是过水断面形成线 其 作法如下 在轴面投影图内 作两流线的内切圆 切点为 A B 图 2 轴面液流过水断面 将 AB 与圆心 O 连成三角形 AOB 把三角形高 OD 分为 OE EC CD 三等分 过 E 点且和轴面流线相垂直的曲线 AEB 是过水 断面的形成线 其长度 b 可按下式计算 b 2 3 s 过水断面形成线的重心近似认为和三角形 AOB 的重心重合 C 点 重心半径为 Rc 因为轴面液流过水断面必须和轴面流线 垂直 液体从叶轮四周流出 所以轴面液流的过水断面是以过水 断面形成线为母线绕轴线旋转一周所形成的剖物面 其面积按下 式计算 F 2 Rcb 值得说明的是 所得面积是形成线上各点轴面 液流的过水面积 而不是重心或圆心处的面积 形成线在有的情 况下是直线 这时 b 是直线长度 Rc是圆心点的半径 沿流道求出一系列过水断面积之后 作出过水断面积沿流道 中线 内切圆圆心的连线 的变化曲线 高效率叶轮的轴面流道过 水截面曲线应是平直和光滑的线 抗汽蚀性能良好叶轮的轴面流 道过水截面曲线 应为进口部有隆起的曲线 如图 3 所示 曲线形 状不良 应修改轴面投影形状 知道满足要求为止 1 2 3 轴面流线绘制模块 1 求解中间流线 对于离心泵叶轮 一般需作中间流线和前 后盖板处流线三条流线 4 因此 需再画一条中间流线即可 中间 流线上点的坐标用数组 Qx i Qy i 定义 轴面液流过水断面变 化情况 如图 3 所示 图 3 轴面液流过水断面变化情况 2 轴面流线分点 程序用方格网包角变换法绘型 并对这三 第 1 期 王新华等 离心泵叶轮的三维 CAD 系统设计及仿真 51 条轴面流线进行分点 取 5 前盖板上的分点用数组 ax i ay i 定义 中间流线上的分点用数组 bx i by i 定义 后盖板上的 分点用数组 cx i cy i 定义 然后从出口开始 先分前盖板流线 前盖板流线上的 A3点 即为流线分点的第一个点 ax 0 ay 0 沿轴面流线试取长度 s 若 s 中点半径 Ri对应的两条射线间 的弧长 u Ri 5 180 与试取的 s 相等 则分点是正确的 如 果不相等 令取 s 直到 s u为止 轴面流线分点 如图4所示 图 4 轴面流线分点 1 2 4 确定叶片进口安放角模块 系统将通过对话框实现人机交互 首先根据经验输入一个假 定的叶片进口排挤系数 则系统会自动算出每条流线上的进口液流 角 然后根据这些值 输入每条流线上的安放角 然后 点击检验 按钮 系统会检测是否正确 若不正确 系统给出提示 重新设计 1 3 接口文件输出模块 上述步骤完成后 就可以输出每条流线上各分点的坐标 即 叶片的型值点 前盖板流线上的分点 ax ay 中间流线上的分点 bx by 后盖板流线上的分点 cx cy 叶片表面的型值点的获取是 造型成功的基础和关键 具体步骤 1 转换成三维坐标 由方格 网包角变换法绘型原理 5 上面所得的轴面流线分点坐标只是在 轴面方向的坐标 而在圆周方向的角度是通过所划分的 5 来 确定的 由此便形成分点的三维空间坐标点 即每个分点都可用 柱面坐标形式表示 y x 2 Pro E 接口文件格式 为满足在 Pro E 中三维设计的要求 需将开发系统计算得到的型值点数据 转化成 Pro E 所支持的数据文件格式 文件扩展名为 IBL 6 2 三维模型的建立与仿真 通过 CAD 软件设计好叶轮叶片后 根据生成的 Pro E 接口 文件 可直接在 Pro E 中调用 完成全部的三维造型设计 2 1 导入接口文件生成曲面 运用输出的叶片型值点进行三维设计 选择 Pro E 软件中的 插入 inset 基准 datum 曲线 curve 来自文件 from file 选择 Pro E 系统中的一个坐标系 然后选择保存的叶片型 值点文件 即可自动连成曲线 曲线形成后 运用 Pro E 的边界混 合工具 将所形成的叶片流线连成曲面 如图 5 所示 图 5 Pro E 中生成的叶片曲面 2 2 叶片加厚 在 Pro E 建模过程中 首先建立叶片的厚度变化 Graph 特 征 选择 Pro E 中 插入 insert 基准 datum 图形 Graph 命令 输入此图形函数的名称 进入 Pro E 的草绘模式 加入坐标 系并绘制厚度函数图形 标注尺寸后即可完成操作 然后选择曲 线偏距命令 选择要进行偏距的曲线 并选择参照曲面和 Graph 特征 即可得到叶片的背面的流线 2 3 生成实体 叶片的工作面和背面曲面形成后 再将叶片的前后两侧面用 边界混合工具形成曲面 即可形成封闭的叶片曲面 利用 Pro E 中的实体化命令形成叶片实体 通过对其旋转后阵列 即可得到 其他叶片 并最终形成叶轮的三维实体图 如图 6 图 7 所示 叶 轮制作后 可用Pro E 的模具设计功能 设计和制作模具 图 6 叶轮三维实体图 图 7 叶轮去掉后盖板的叶轮三维实体图 3 结论 离心泵叶轮的三维 CAD 系统采用模块化 参数化 开放式的 设计思想 便于系统的升级和移植 操作直观快捷 层次分明 设 计实用可靠 并考虑了系统升级及可维护性 设计结果规范 满足 了使用者的要求 离心泵叶轮的三维实体造型设计为产生 CFD 的三维网格奠定了基础 在由 CFD 分析得到的速度场和压力场 进行分析基础上可修改水力设计 直至达到设计要求 参考文献 1 郭晓梅 王春