基于UG的离心泵叶轮造型设计

2011年4月农机化研究第4期基于UG的离心泵叶轮造型设计胡佳伟,吕新民(西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100摘要:叶轮是离心泵主要的过流部件,而叶片的造型是叶轮设计的难点,也是影响离心泵性能的关键因素。为此,通过离心泵木模图,利用UG软件对叶轮进行了三维造型,并对叶轮扭曲叶片的型面质量进行了分析,使叶轮造型更加准确,提高了叶轮设计效率,为后面叶轮三维流场分析和数控加工等提供了良好的模型基础。关键词:离心泵;叶轮;中图分类号:TH311UG;NURBS;曲面分析文献标识码:A文章编号:1003-188X(201104-0215-040引言叶轮是离心泵的核心部分,其中叶片的曲面造型是叶轮实体建模的关键,它直接影响到叶轮后续的加工,以及离心泵水利性能、气蚀性能及运行稳定性。因此,要求叶片建模准确可靠,造型曲面光滑连续,易于修改。离心泵叶轮的叶片有圆柱形和扭曲形两种。扭曲叶片是中高比转速泵广泛使用的叶片形式,可减少叶片的负荷,改善离心泵的吸入性能,提高抗汽蚀能力,但造型起模困难,造型误差较大。其截面形状不能用简单初等曲线和曲面来描述,而需要用较为复杂的自由型曲线和曲面。扭曲叶片的造型方法一直是研究的难点[1]曲面造型和曲面分析功能。本文在UG6.0软件平台的基础上,对离心泵叶轮进行三维实体造型。1叶轮三维造型设计1.1理论基础NURBS可以精确地表示二次规则曲线曲面,从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面。同时,NURBS方法具有可影响曲线曲面形状的权因子,使形状更易于控制和实现产品的设计要求。NURBS是非有理B样条形式以及Bezier形式的推广。其表达形式为P(t=i=0[3],能够满足绝大部分实际。rwipiNi,k(ti=0nn采用传统的木模图方法无法直观检测叶片表面的光顺性和连续性,并且只能简单地描绘叶片的一元流动状况和二元流动状况,不能准确地描绘实际三维流场情况[2]rwiNi,k(t=i=r0piRi,k(t(1Ri,k(t=wiNi,k(ti=0(2,需要在试验台上反复试验,整个过程费时rwiNi,k(t费力,成本高,加工精度低,直接影响设计周期和设计质量。随着计算机技术的发展,采用二维CAD软件设计叶片,虽然克服了手工制图的低效率和绘图误差,提高了设计的精度,但仍然不能直观和完整地反映叶片的三维结构。UG是目前应用较为广泛的CAD/CAM/CAE三维参数化软件,广泛应用于航空、汽车、航天和造船等工业领域。它不仅提供了实体建模功能,还具有强大的收稿日期:2010-07-03基金项目:陕西省科技攻关项目(2003K03-G9-01作者简介:胡佳伟(1984-,男,山西大同人,硕士研究生,(E-mailhu08104156@163.com。通讯作者:吕新民(1952-,男,陕西旬邑人,教授,硕士生导师,(E-mailxinmin_L@。式中Ri,k(tk阶有理基函数;Ni,k(t节点矢量决定的k阶B样条基函数;pi特征控制多边形控制顶点位置矢量;wi与pi对应的加权因子。1.2叶片的三维建模离心泵扭曲叶片叶轮的曲面非常复杂,进行造型设计之前要通过测量或读取曲面上的离散型值点的数据。常采用文本输入的方式输入叶片外形参数,依次将叶片每个截面轮廓的数据点坐标输入记事本,并把造型所需的数据文件转化成UGNX能够识别的数据格式(即.dat文件,完成叶片截面的创建;然后,利用UG的曲面造型功能生成叶轮叶片的实体模型3[4]。某离心泵设计参数为Q=30.0m/h,H=15.0m,2011年4月n=2950.0r/min。农机化研究第4期系列离散点数据,决定了生成的叶片曲线和曲面可能存在多余拐点、挠点,存在数字化误差,会出现不光滑的凹凸现象;同时,利用CAD/CAM软件拟合构造的曲线和曲面,曲率变化较大的部分也会出现不光滑现象,这对后续的有限元分析、三维流场分析及数控加工有着直接的影响。因此,在叶片建模过程中需要对曲线和曲面进行光顺检查,找出影响曲线、曲面光顺区域附近的曲线,通过调整曲线的点再重新拟合曲线和曲面,反复检查调整,直至叶片三维造型能够满足工作的要求[5]本文根据该离心泵叶轮的木模图,建立叶片工作面和背面的离散的柱坐标数据列表,并通过UG6.0/点0命令直接输入列表数据,获得所需叶片实体工作面和背面的离散点。由此避免了通过坐标转换得到各截面上三维坐标点数据带来的误差,提高了叶片造型的精度。将这些离散点按工作面和背面轴面截线进行拟合,得到轴截面曲线。叶片工作面曲面离散点如图1所示。。[6]1.3.1曲线和曲面分析理论对于平面曲线,光顺需要满足以下几点率和挠率的变化应比较均匀。曲面可以看成由无数条曲线组成,当所有的曲线都达到光顺,就可以认为曲面是光顺的。因此,可以通过分析曲面上的关键曲线的曲率梳来分析曲面的图1叶片工作面曲面离散点:一是二阶光滑性;二是不存在多余的拐点与挠点;三是曲光顺性。所选择的关键曲线多为U和V方向参考线与平行于坐标平面的一系列截面线,如X,Y,Z截面线[7]在确定叶片各截面曲线的实际空间位置之后,拟合截面曲线离散点,最后通过网格曲面命令生成的工作面曲面,如图2所示。。曲面的光顺准则内容为[6]:1曲面U和V方向的参数线达到光顺;2构造曲面时的网格线达到光顺;3曲面与某一组等间隔且平行平面的相交截面线达到光顺;4曲面的高斯曲率变化均匀,二次曲面的主曲率在节点处的左右曲率差的跃度和尽量小。1.3.2叶片造型的曲线和曲面分析由NURBS曲线的理论可知,在一条次NURBS曲线中,当一个控制点发生变化时,只影响其周围的个控制点定义的曲线部分,对其它部分没有影响[8]。图2叶片工作面曲面获得叶片背面的方式同工作面,得到叶片曲面如图3所示。UG软件提供了大量的曲线、分析以及调整工具。运用UG中的曲线分析工具,可以分析组成叶片的每一条曲线的曲率分布情况,如有无拐点、挠点、交叉以及重叠。UG软件曲线调整最常用的是/曲线分析0选项。其中,曲率梳可以实时检查曲线的曲率变化及规律,并由此发现曲线的形状问题。图4为叶片的一条曲线的曲率梳分布。图3叶片曲面1.3叶片曲线和曲面分析由于叶片数据源于木模图,是工作面和背面的一图4叶片一条曲线的曲率梳2011年4月农机化研究第4期前后盖板流线旋转成的片体对两个曲面进行修剪。利用曲面缝合命令缝合曲面,将叶片阵列,得到叶片三维造型,如图8所示。通过观察曲率梳,曲率梳变化不均有突变,需要编辑曲线。用光顺曲线命令调整影响曲线光顺的点和修改光顺因子,重新拟合曲线,来得到需要的光顺曲线。光顺后曲率梳均匀连续无突变,曲率梳分布如图5所示。图5光顺后的曲率梳分布在一般CAD软件中,可通过分析模块中使用高斯曲率法对曲面进行分析。当曲面曲率变化比较均匀时,即达到设计要求。若曲面质量很差,需要对构成的曲线进行重新调整,直至满足设计要求[9]图8叶片三维造型1.4创建轮毂并生成叶轮实体轮毂的创建较为简单,是在叶片的基础上创建的。UG有两种方式创建叶轮基座:一种用点构造器建立叶轮基座的旋转曲面线,通过旋转创建基座;另一种是先创建草图再进行旋转,然后通过创建面完成模型的修剪操作,最后阵列修剪后的叶片,生成叶轮实体模型。本文采用第一种方法,利用点构造器直接创建截面线串,再利用旋转命令对截面线串旋转,创建轮毂回转体,最后创建叶轮实体,如图9所示。。在UG中做反射分析检查曲面的光顺性,改变曲面创建的参数和设置,以满足曲面设计分析工作的需要[10]。曲面光顺性常用高斯曲率法和反射条纹法来检查,图6、图7分别为修改后叶片工作面高斯曲率法和反射条纹法检查结果。图6叶片工作面高斯曲率图9叶轮三维造型2结论本文是基于UG6.0的叶轮实体造型研究,通过离心泵木模图获得各截面的型值点数据,借助UG6.0的图7叶片工作面反射条纹曲面造型功能构造出叶片工作面和背面轴面截线的样条曲线,建立了离心泵叶片的三维实体模型,对叶轮扭曲叶片造型中的曲线和曲面进行了光顺分析,更改局部参数调整叶片曲面,使扭曲叶片的造型更加准确与光滑,可以精确、完整地反映叶片的曲面形状。该建模方法也适用于其他类似曲面的叶轮机械,如对风机叶片与汽轮机叶片等复杂曲面进行三维建模。从图6和图7可以看出:修改后的叶片高斯曲率在曲面上的光色分布均匀,曲面曲率变化均匀,过渡无突变;反射光条纹清晰顺畅,分布均匀,没有锯齿状扭曲与突然折转,叶片表面质量较高。利用修改后的叶片曲面,使用曲面的/延伸0命令,将工作面和背面向外各延伸一段适当的距离。用2011年4月参考文献:农机化研究第4期[5]闫海津,胡丹梅.风力机叶片的三维建模[J].能源技术,2009(2:89-91.[6]刘保嘉,徐宗俊,王巍.曲线及曲面的光顺性研究[J].机械与电子,2001(5:49-52.[7]尹亚楠,袁清华.车身逆向过程应用中的曲面光顺[J].科技信息,2007(7:21-22.[8]孙家广.计算机图形学(3版[M].北京:清华大学出版社,1998.[9]王京美,王德斌,刑渊.逆向工程技术在模具制造中的应用[J].模具制造,2001(1:3-6.[10]云杰漫步多媒体CAX设计教研室.UGNX6.0中文版曲面造型设计[M].北京:清华大学出版社,2009.[1]宋玉旺.航空发动机叶片CAD技术综述[J].航空制造技术,2009(17:52-56.[2]阮文华.基于UGNX的汽轮机叶片三维造型研究[EB/OL].[2010-04-10]./cad/Article39163.[3]郝一舒,王德斌,杨玮玮.基于NURBS的整体叶轮建模技术[J].CAD/CAM与制造业信息化,2009(1:85-86.[4]夏德伟,张俊生,陈树勇,等.UGNX4.0中文版机械设计典型范例教程[M].北京:电子工业出版社,2006.TheModellingDesignofCentrifugalPumpImpellerBasedonUGHuJiawe,iLvXinmin(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,ChinaAbstract:Theimpelleristhemainflowpassagecomponentofcentrifugalpump.Thedifficultofimpellerdesignisthemodellingofblade,whichisthekeyfactorinfluencingcentrifugalpumpperformance.Thisthesisbasedontheblockdia-gramcentrifugalpumpimpeller,andmakesthethree-dimensionalmodellingofimpellerbyUGsoftware.Themethodmakesmodellingofimpellermoreaccurate,andimprovetheimpellershapeofimpellerdesignefficiency.Itsupplysawellbaseforthree-dimensionalflowfieldanalysis,ncmachiningetc.Keywords:centrifugalpump;impeller;UG;NURBS;surfaceanalysis(上接第214页[9]腾书格,陈颂英.离心泵水力模型多目标优化研究[D].济南:山东大学,2008.[10]陈乃祥,吴玉林.离心泵[M].北京:机械工业出版社,2003.[11]雷英杰,张善文.MATLAB遗传算法工具箱及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.[12]龚纯,王正林.精通MATLAB最优化计算[M].北京:电子工业出版社,2009.AbstractID:1003-188X(201104-0212-EAMulti-objectiveOptimizationofCentrifugalPumpBasedontheGATangWeiwei,LvXinmin,XueZixuan(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,ChinaAbstract:Inthepaper,amulti-objectivefunctionincludingmaximumefficiency,minimumNPSHandanon-ca-mel-bac