[工学]无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场的分析

1、 分类号 密级 udc 学 位 论 文无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场的分析无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场的分析作者姓名：盛指导教师：杨 副教授东北大学机械工程学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：机械制造及其自动化论文提交日期：2008 年 6 月论文答辩日期：2008 年 6 月学位授予日期：2008 年 月答辩委员会主席：评阅人：东 北 大 学2008 年 5 月 a dissertation in mechanical design and theorymodeling and temperature field analysing of the oil-free s

2、croll vacuum pump by sheng linsupervisor：associate professor yang guangyannortheastern universityjune 2008 i独创性声明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：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

3、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 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期： ii东北大学硕士学位论文 摘要ii无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场分析无油涡旋真空泵参数化建模及其温度场分析摘摘 要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

4、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 ansys 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 ug 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。

5、为了达到优化动、定涡旋盘几何形状的目的，ansys 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 ug 二次开发的 grip 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 ug 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 apdl 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

6、限元分析软件 ansys 的二次开发语言 apdl 和 uidl 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互界面的制作。因此本文还将对基于 ansys 的参数化设计将有所帮助。本文还实现了 ug 与 ansys 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 ansys 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 ug 和 ansys 这两个大型软件有机地结合起来，有效地拟补了 ansys 软件对于复杂三维实体模型的局

7、限性，使工程问题的有限元分析在过程东北大学硕士学位论文 摘要iii和结果上更加简化和准确。关键词关键词：无油涡旋真空泵、参数化建模、参数化载荷、温度场、ug 二次开发、ansys 二次开发东北大学硕士学位论文 abstractivmodeling and temperature field analysing of the oil-less scroll vacuum pumpabstractwith high cleanness, simple structure, smaller size and low noise, the oil-free scroll vacuum pump is

8、welcome in the field of oil-free vacuum obtainment. although many manufacturers have been researched on this pump in our state, there is no one having the ability to produce the pump. developing oil-free scroll vacuum pump which meet the need of state is the duty of internal scientists.engaging in m

9、y hierophants key item, the parameter design and its finite element analysis of the oil-free scroll vacuum pump are realized .problems such as the oil-free scroll vacuum pumps parameter design、models repairing、parameter loads loading and the temperature field of the fixed and orbiting scroll are dee

10、ply engaged in this paper.temperature field、stress field and the deformation caused by the heat of the scroll vacuum pump were simulated and studied with a real physical model of the fixed scroll and orbiting scroll of oil-free scroll vacuum pump based on ansys in this disquisition. ug system is use

11、d to create solid model of the fixed scroll and orbiting scroll of oil-free scroll vacuum pump with material property. the solid model can be viewed and checked in any direction and the size of the model can be changed to evaluate the design. in order to optimize the geometry of the fixed scroll and

12、 orbiting scroll of oil-free scroll vacuum pump, ansys system is used to analyze their temperature increase, stress and heat deformation. analyze result proved corrective of the original design of the scroll pump, and the results can be of some technological interest in the designing of the oil-less

13、 scroll vacuum pump.gripthe ug systems second developing language is used in this paper to realize the three-dimensional entity model of the oil-less scroll vacuum pump. the best model will be set up automatically after entering several key numbers, moreover, that parameter model can be modified in

14、the ug system. consequently, the oil-free scroll vacuum pumps automatic design can be achieved and the veracity and efficiency are improved. parameter modeling、grid division and control、material definition、loading and boundary conditions can be actualized when using the apdl programme language and m

15、acro technique to organize and manage the finite element analysis commands of the ansys 东北大学硕士学位论文 abstractvsystem. in this disquisition, the secondary development language apdl and uidl are used synthetically to programme with the purpose of controlling the state of the parameter heat load inflicti

16、on that based on the variables of space and time on the real physical model of the oil-free scroll vacuum pump the fixed scroll. the way to calculate the equation of the heat load and the making of the users interfaces are also related in this disquisition. this disquisition can be of some technolog

17、ical interest in the parameter designing which is based on the ansys system.problems such as the communicating of the ug system and the ansys system, and the models repairing and transmission are realized in this paper. consequently, work such as the grid division、loading、and calculating of the mode

18、l in the ansys system can be done successfully. therefore, the ug system and the ansys system are united together organically and this combination compensated the limitation of the ansys system which can not build a complex model easily. all about this can do the finite element analysis of projects

19、with easier process and better result.key words: oil-free scroll vacuum pump; parameter modeling; parameter loading; temperature field; ug second developing; ansys second developing东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论vi目 录独创性声明.i摘 要.iiabstract.iv第一章 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

20、 -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 -第二章 参数化建模.- 6 -2.1 无油涡旋真空泵的型线理论.- 6 -2.2 参数化设计.- 9 -2.2.1 参数化设计概述.- 10 -2.2.2 参数化设计的特点.- 10 -2.2.3 参数化设计方法的类型.- 11 -2.3 ug 概述 .- 12 -2.3.1 ug 简介.- 12 -2.3.2 ug 二次开发.- 12 - ug 二次开发过程.- 12 - grip 程序开发.- 14 -2.4

21、 模型参数的计算.- 15 -2.4.1 抽速的计算.- 15 -2.4.2 壁厚的计算.- 18 -2.4.3 节距和涡旋体高度的计算.- 18 -2.5 建模过程.- 19 -2.5.1 控制参数输入界面制作.- 19 -2.5.2 绘制参数化中心体实体.- 19 -2.5.3 绘制涡旋体.- 20 -2.5.4 密封圈实体的绘制.- 20 -2.5.5 提取质心.- 21 -2.5.6 移动坐标系.- 22 -东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论vii2.5.7 基盘的绘制.- 22 -2.5.8 整盘完成.- 23 -2.6 本章小结.- 23 -第三章 模型的处理.- 24 -3

22、.1 不同软件之间的模型转换与数据传输标准.- 24 -3.2 ug 与 ansys 之间的模型的转换.- 25 -3.3 模型的修补.- 28 -3.3.1 模型的缺陷.- 28 -3.3.2 缺陷的修补过程.- 29 - 修复工具.- 29 - 动涡旋盘的修补过程.- 29 -3.4 本章小结.- 32 -第四章 温度场的分析.- 33 -4.1 热载荷的计算.- 33 -4.1.1 测温点上数据的拟合.- 33 -4.1.2 数据拟合的最小二乘法.- 34 -4.1.3 涡旋真空泵热载荷的计算.- 36 -4.2 ansys 软件简介.- 37 -4.2.1

23、ansys 功能简介.- 37 -4.2.2 ansys 的二次开发语言.- 37 -4.3 参数化载荷的施加.- 38 -4.3.1 ansys 的数组参数.- 38 -4.3.2 空间及坐标的赋值.- 38 -4.3.3 矩阵各个元素的赋值.- 39 -4.3.4 工具条按钮的创建.- 39 -4.4 ansys 的模拟过程.- 41 -4.4.1 实验准备.- 41 - 基本工况.- 41 - 实验单位.- 41 - 实验数据.- 41 -4.4.2 实验过程.- 43 -4.4.3 实验结论.- 46 -4.5 本章小结.- 47 -第五章 总

24、结与展望.- 48 -5.1 总结.- 48 -东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论viii5.2 展望.- 49 -参考文献：.- 50 -致 谢.- 52 -作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文.- 53 -东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论- 1 - 第一章 绪论1.1 历史和发展早在 l886 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leon cruex 提出，并于 1905 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。leon cruex 的涡旋发动机专利（rotary engine）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

25、有密封材料。涡旋技术在此后的 70 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 20 世纪 70 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。70 年代 n.o.young 和 j.e.mccullough 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。1973 年美国 arthur. d. little 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

26、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。trance、hitachi、copland 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1。20 世纪 90 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

27、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仅仅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。东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论- 2 -1.2 无油涡旋真空泵的工作原理无油涡旋真空泵的压缩机构由 5 个主要零件组成：定涡旋盘(1)、动涡旋盘(2)、防自转机构(3)、曲轴(4

28、)和机架(5)。如图 1.1 和 1.2 所示。图1.1 无油涡旋真空泵基本零件fig.1.1 basic parts of dsvp。图1.2 无油涡旋真空泵的基本结构fig.1.2 basic structure of dsvp1、2密封圈；3、曲轴；4、小涡旋盘；5、动涡旋盘；6、防自转机构；7、联轴器；8、大涡旋盘；9、电动机；10、机架东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论- 3 -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

29、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2。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图 1.3 工作原理图（白色为定涡旋盘，黑色为动涡旋盘）fig.1.3 operating principle (white stands for the fixed scroll)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：（一）真空腔内无油，可获得清洁真空；东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论- 4 -（二）压缩腔

30、结构对称，易于平衡，噪音低，振动小；（三）抽气过程形成 3-4 对封闭腔，压差小、工作平稳；（四）空气冷却，无需水冷；（五）结构简单紧凑，体积小，维修方便；（六）能耗低，维护费用低3 4。国内以半导体、电子工业为代表的制造工艺当中和科学研究与分析测试行业迫切需要无油污染的清洁真空环境，无油涡旋真空泵正在成为普通油真空泵的更新换代产品，被广泛应用到下述科学研究与生产领域：（一）半导体行业：薄膜制备设备、半导体器件封装设备；（二）真空冶金行业：真空炉、纳米材料制备设备、真空检测设备；（三）科学仪器行业：同步辐射光束线、电子显微镜、分析测试仪器；（四）医疗设备：牙科仪器、透析机；（五）生物制品行业：

31、材料提纯、药品制备；（六）包装行业：食品、药品、生物制品等包装设备5 6。1.4 课题的来源和意义真空获得设备是一个量大面广的产品。产量很大，单台产值不高，但它是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。目前我国生产的真空获得设备绝大多数属于传统的真空获得设备。其中高真空泵以油扩散泵为主，中低真空泵仍然以水环泵、旋片泵、滑阀泵、罗茨泵为主。近年来，国外的真空技术应用已从传统的工业领域转向半导体、平板显示（lcd，pdp，oled）、太阳能光伏电池、化学工业、生物制药等高端产业领域，真空系统已经出现更新换代的局面，有油的真空系统已被清洁无油、耐腐蚀的真空系统所代替。国外各种类型的无

32、油涡旋真空泵、复合分子泵、磁悬浮轴承分子泵和低温泵发展很快，市场上均有商品出售。在国内还没有生产厂家涉足这一类产品，基本上处于空白状态，所需产品依赖进口10 11 12。根据国内真空技术发展趋势，为了适应高端产品和特殊应用场合的需要，研究开发清洁、无油、耐腐蚀的无油涡旋真空泵、复合分子泵、磁悬浮轴承涡轮分子泵和低温泵势在必行，以实现我国真空获得产品的更新换代7 8 9。本课题采用 ug 二次开发技术和 ansys 二次开发技术，创建了基于 ug nx4 平台的无油涡旋真空泵三维参数化建模模块和基于 ansys10.0 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

33、过参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，使东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论- 5 -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 ug 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 ansys 系统创建的参数化模块可以供设计者实现对 ansys 环境下的有限元模型进行轻松而且精确的加载过程13 14。1.5 课题的研究内容和方法1.5.1 课题研究的内容（一

34、）运用 ug 二次开发语言和功能实现对无油涡旋真空泵的关键部件动、定涡旋盘体进行三维参数化实体建模和运用 ansys 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 ansys，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，分析整个振动机构的应力分布状况。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

35、 grip 语言，基于三维设计平台 ug 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 apdl 和 uidl 语言进行编程建立起 ansys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。东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论- 6 -东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 6 -第二章 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fig .2.1 one circle inv

36、olute scroll disc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 180o。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fig.2.2 scrolls东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 7 -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15 ，以及分段曲线构成的混杂型线涡圈16，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

37、同、对称圆渐开线无油涡旋真空泵（黑色为动盘）fig.2.3 oil-free scroll vacuum pump with two same scroll in shape(black stands for the orbiting scroll)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

38、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。东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 8 -图 2.4

39、 直线段、正多边形、和圆的渐开线fig.2.4. involute of line、regular polygon、circle、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rl(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，、的增加幅度最小。nrl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

40、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，以渐开角为参变量，则圆的渐开线方程为：图 2.5 渐开线参数方程fig.2.5. equation of involute (2-1)(cossin )(sincos )xaya东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 9 -式中：基圆半径a 渐开角圆渐开线涡旋型线的基本参数:基圆半径a渐开线节距 (2-2)2pa渐开线发生角涡旋体壁厚 (2-3)2ta涡旋体高度h涡旋线圈数n渐开线的渐开角 (2-4)2/2n动

41、、定涡旋盘基圆中心距离 (2-5)/2rpt考虑到涡旋盘的壁厚 ，以表示涡旋盘壁内、外侧渐开线起始点的发生线与 x 轴t的夹角，则涡旋盘壁的内、外渐开线的参数方程为： (2-6)cos()sin()(sin()cos()iixaya (2-7)cos()sin()(sin()cos()ooxaya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径为 的rr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,应与定涡旋盘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的中心线相重合，故 又称为偏心轴的偏心量。r只有满足tpr2/的涡旋型线组合，方可

42、构成封闭的容积腔。2.2 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，数字模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相关连部分的尺寸。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。东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 10 -2.2.1 参数化设计概述参数化设计是 revit building 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。revit building 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

43、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。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 参数化设计的特点参数化设计的特点用 cad 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，

44、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 cad 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

45、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 cad 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主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的

46、建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 11 -而本文的 ug 参数化设计方法与 ug 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。.3 参数化设计方法的类型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。参数化设计程序参数化交互式参数化离线参数化构造式系统陈述式系统混合式系统对象式系统图2.6 参数化设计方法的分类fig.2.6 the classification of paramete

47、rization design methods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17181920。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2122。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

48、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。2.3 ug 概述2.3.1 ug 简介unigraphics solutions 公司(简称 ugs)是全球著名的 mcad 供应商，主要为汽车与交通、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(vpd)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 mcad东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 12 -解决方案。其主要的 cad 产品是 ug, ug 是一个集成化的 cad/cam/cae

49、 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，ug 更是扩展了软件的应用范围，面向专业化和智能化发展。unigraphics 软件(以下简称 ug)，是日前世界上最先进的面向制造行业的 cadcamcaecapp 高端软件之一。2.3.2 ug 二次开发 ug 二次开发过程ug tools 是 ug 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ug/ open api、menuscript 和 uistyler 三个模块组成23：（一）ug/open

50、api (application programming interface)是 ug 软件包中的一个重要模块，eds 公司根据“开放性设计”的发展趋势提供给用户的 ug 二次开发工具。它和 ug 一同发布，其目的是使集成的应用程序，包括 ug 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 internet 的计算机上实现数据共享。利用ug/open api 提供的应用程序和开发工具，能够使用户实现：a) 通过 ug/open api 与 ug 对象模型交互；b) 生成并使用用户自定义对象 udo(也称为 customobjects)，包括管理它们与 ug 对象的相关性，提供一种

51、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 ug 风格化界面；d).利用 ug/open 相关产品如 iman、itk 和 parasolid；e) 当新的 ug/open 技术可供利用时，采用并将其与 ug 集成。ug/open api 二次开发工具主要包括 ug 提供的以下 4 个开发模块：nx open for c/c+nx open for javanx open for .netnx open for grip可以看出 eds 提供给用户的 ug 二次开发工具对目前主要的编程语言都有良好的支持。作为 unigraphics 与外部应用程序之间的接口，ug/open a

52、pi 是一系列函数的集合，允许程序访问并改变 ug 对象模型的程序集。ug/open api 封装了近 2000 个 ug操作的函数，它可以对 ug 的图形终端、文件管理系统和数据库进行操作。本课题的参数化模型主要采用 nx open for grip 模块编程实现。（二）ug/open menuscrip 是 ug 提供的用来定制菜单的专用模块，运用menuscript 开发工具，用户可以基于 ascii 文件编码很方便的为自己开发的程序编写东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 13 -用户菜单，设计用户按钮。通过此菜单调用用户自行开发的对话框或 ug 本身的对话框，生成满足用户要

53、求的交互式操作。其编辑菜单方法灵活，语法简单。menuscript 的应用主要包括以下两种方式：a) 通过编辑纯文本的 menu 文件(菜单脚本文件)来创建并修改 unigraphics 的主菜单及下拉菜单，而不必开发 c 语言程序。b) 采用 ug/open api 提供的 menuscript api 函数与 c 语言编写开发的子程序及回调函数相结合的方式来进行 ug 的菜单定制。ug/open menuscript 提供一套用于定义菜单的脚本语言，ug 系统的菜单也是用该语言写成的，开发者使用该脚本语言可以修改 ug 界面的菜单结构，如添加、删除和定制菜单以及改变菜单的显示文本或响应行为

54、等。菜单脚本文件的扩展名为*.men。本系统采用第一种方法来完成菜单的设计的。（三）uistyler 是开发 ug 对话框的可视化工具，利用它可以进行包括按钮、文本框、列表框和单选按钮在内的对话框要素的创建，亦可实现它们的任意组合，从而创建具有 ug 风格的各种对话框。生成的对话框与 ug 集成，让用户更方便、更高效地与 ug 进行交互操作，主要体现在以下方面：a) 为开发者提供了可视化的操作环境，通过控件布局，实现所见即所得。b) 能够自动生成 c 模板文件，为用户编程提供便利。c) uistyler 能与 menuscript 兼容，它创建的对话框可以被 menuscript 调用，并且u

55、istyler 也可以从 ug/open api 中调用，实现 ug 菜单调用对话框的功能，将用户应用程序与 ug 无缝连接。进入 ug nx4 系统后，单击起始 用户界面样式编辑器命令，系统将进入 user interface styler(用户界面样式编辑器)窗口。它是 ug 提供的用来创建具有 ug 风格的各种对话框的专用模版。模版创建后可以利用 menuscript 对其调用。利用 ug 进行二次开发的过程主要分成三部分：首先通过 uistyler 形成程序模板框架界面；然后，启动 ug open api 创建工程；然后用 menuscript 编制*.men文件，链接界面与编译好的程

56、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，建立相应的二次开发系统。 grip 程序开发本程序通过参数的指定自动建立无油涡旋真空泵的三维模型，属于在 unigraphics软件平台上开发的用户专用软件。程序运行于 internal 环境，在 unigraphics 的界面环境（session）下运行。运行时，被加载到 unigraphics 的运行空间中（unigraphics 分配的内存） 。可在 unigraphics 的界面环境中对所生成的模型进行修改、测量、标注、渲染等进一步的操作。东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 14 -建立一个

57、grip 程序，通常有编写、编译、链接和执行四个步骤，分别介绍如下：图 2.7 grip 高级开发环境界面fig.2.7 interface of grip top grade development（一）.编写 grip 源程序用 grip 语言编写 grip 源程序，可以用 windows 的记事本编写，存盘为*.grs；也可在 grip 高级开发环境(gradegrip advanced development environment)中，用edit 功能，新编或修改 grip 源程序，自动存盘为*.grs。grip 源程序除必须有主程序外，还可以包含若干子程序，子程序可以单独编写和编译

58、，然后与主程序链接。（二）.编译 grip 源程序在 grip 编译器中输入源程序名(*.grs)，即用 grade 的compile 进行编译。如果编译出现错误，grip 会在屏幕窗口中自动显示错误信息或将错误信息输出到指定的文件中以供用户进行查询。在编译输出信息中，grip 会向用户提示错误发生的位置和错误的类型，提请用户修改源程序，继续调试源程序。如果编译没有错误，grip 会生成一个新文件*.gri，然后进行链接。（三）.链接把编译成功的 grip 程序(包括主程序和子程序)进行链接，生成可执行程序，自动命名为*.grx。如果链接出现错误，在屏幕或输出文件中，grip 会显示错误信息，

59、提示用户进行修复和修改。（四）.执行执行 grip 程序，进入 ug 程序，运行 fileexecute ug/open-grip,在 ug 程序环境下运行。东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 15 -2.4 模型参数的计算2.4.1 抽速的计算模型参数的计算首先根据给定的排量值，即几何抽速。几何抽速是涡旋真空泵的设计理论的基础，而其核心是计算吸气腔的容积。动、定涡旋盘相啮合形成了数对月牙腔，外层月牙腔体积较大，内层月牙腔体积较小，气体从外层被压到内层，从而被压缩。对压缩腔做如下定义：外腔（vo）：由动盘涡旋体外壁和定盘涡旋体内壁所形成的封闭月牙腔。内腔（vi）：由动盘涡旋体内壁和

60、定盘涡旋体外壁所形成的封闭月牙腔。如图所示：图 2.8：内腔与外腔示意图fig.2.8：abridged general view of entocoele and exocoele 涡旋真空泵几何抽速只决定于最外层外腔和最外层内腔的容积和电机的转速。由于各腔在高度方向上的任意截面面积都相等，所以只需计算最外层外腔和最外层内腔的截面积。要计算最外腔最内腔截面积首先要能计算出圆渐开线包络面积。东北大学硕士学位论文 第 2 章 参数化建模- 16 - 图 2.9：渐开线包络面积fig.2.9：envelope area of the involute如图 2.9 所示：取微元三角形 abc，根据圆