Chap6流体机械中典型零件的几何数字化设计

1、第6章 流体机械中典型零件的几何数字化设计,主要内容,6.1几何数字化设计软件平台 6.2叶轮类部件的三维几何造型 6.3叶轮几何设计的数字化建模方法 6.4流体机械的其他零件三维几何造型 6.5流体机械产品的数字化装配,6.1 几何数字化设计的软件平台,6.1.1 几何数字化设计软件的基本功能要求 在叶片式流体机械的三维几何数字化设计过程中，由于涉及到复杂的雕塑曲面零部件几何造型，零部件的装配关系复杂，考虑到数字化加工一体化，应该采用功能强大的CAD/CAM商业软件作为数字化设计开发平台。选择CAD/CAM商业软件至少应该具备有以下几个方面的处理能力。 （1）交互图形输入和输出功能 （2）几

2、何造型功能和数字化装配功能 （3）与其他应用系统的数据交换 （4）统一的数据管理功能 （5）二维绘图功能,6.1.2 商业化的几何数字化设计软件的发展状况,在20世纪70年代，开始出现商品化的硬件和软件。以小型和超级小型计算机为主的CAD/CAM系统进入市场并成为主流。如Computer Vision、Intergraph、Calma、Applicon等。 70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAD/CAM技术的发展起了极大的推动作用。 1979年美国的SDRC公司推出了世界上第一个基于实体造型技术的大型CADCAM软件I-DEAS。实体造型技术是CAD技术上的第二次技术革命。 2

3、0世纪80年代中期后，以工作站为基础的CAD/CAM系统发展很快，其功能达到甚至超过小型机CAD/CAM系统。 80年代末期，美国的参数技术公司PTC(Parameter Technology Corp)研制的命名为ProEngineer的参数化软件，引起了CAD技术的第三次技术革命。 SDRC公司以参数化技术为蓝本，提出了更为先进的实体造型技术变量化技术。被视为CAD技术的第四次技术革命。,6.1.2 商业化的几何数字化设计软件的发展状况,目前作为数字化设计与制造的主流CAD/CAM系统有： 美国UGS公司Unigraphics NX；美国PTC公司的Pro/Engineer；法国Dassa

4、ult公司研究开发的CATIA；美国洛克希德飞机制造公司研制开发的CADAM；法国Matra Datavision公司研究开发的EUCLID 等。 这些软件都可以作为叶片式流体机械的几何数字化设计软件。,6.2 叶轮类部件的三维几何造型,6.2.1 叶轮几何模型与其他分析模型的关系 叶轮设计与制造技术涉及到多学科技术的综合应用，数字化设计与制造要求产品的数字化模型在各阶段的分析和应用模型能够保持信息的一致性和可重用性。 叶轮几何设计建模应注意事项: 模型间的数据能够重用，从而建模时可减少大量的重复性劳动，各种分析模型应能从转轮的几何数字化模型自动衍生。 模型间数据的一致性和可重用性，以大大减少

5、了建模的工作量。 模型间可以实现数据的互操作，使有些相互密切关联的分析过程易以交流信息。,2020/6/30,西华大学 赖喜德 教授,7,叶轮的几何模型与各个应用模型的关系,6.2.2 叶轮的几何设计方法,在通常情况下，混流式（离心式）叶（转）轮由具有回转体特征的前、后盖板（上冠、下环）与一组叶片组成，轴流式叶（转）轮由具有回特征的轮毂体与一组叶片组成。 回转体特征的零件的几何造型比较简单，叶轮类零件的几何设计重点在叶片的几何造型上。由于叶轮类型不同，其叶片曲面的形状会有所不同。 低比转速叶轮的叶片多是直纹面，中高比转速叶轮的叶片是雕塑（自由）曲面。,采用专业“木模图”表示来定义叶片存在的问题

6、,传统设计，采用专业“木模图”将空间三维几何计算转化为二维计算，回避了叶片空间曲面的三维几何设计和建模问题。 对于数字化设计与制造将存在以下主要的问题： 叶片的“木模图”数据不能准确地数字化定义叶片 不能满足数字化几何造型的要求 不能满足数字化设计与制造中的模型一致性要求,6.3 叶轮几何设计的数字化建模方法,6.3.1 叶片曲面数字化的几何模型选择 NURBS在数学和力学上有良好的保形性，而叶轮的叶片由多张自由曲线曲面封闭而成。正因为如此，在叶片几何建模时，一般采用NURBS作为叶片曲面几何设计的数学模型。 在实际工程中，广泛三次NURBS曲线来构造叶片的截面线。基于截面线族的蒙皮法构造曲面

7、,6.3.2 叶片曲面原始数据参数化,为了反求叶片的NURBS曲面数字化模型，必须进行参数化，通过参数化反求控制顶点。 叶片曲面的原始数据及其参数化对于构造的叶片曲面的准确性和光顺性起决定性的作用。 叶片曲面的参数化对于叶片的设计修改、数字化加工中的刀位轨迹计算、分析模型的离散网格化等有直接关系。对于叶片曲面采用截面线族为参数线的蒙皮曲面构造法，为了满足叶片的流体动力学性能和加工性能，截面线应与流线一致。曲面数据点的参数化应以截面曲线数据点的参数化为基础。,在实际工程中，叶片曲面的原始数据主要有以下三个来源： 从第1章所述的流体动力学设计中计算出沿流面截面线的三维坐标点集，在此种情况，在流体动

8、力学数字化设计时已较好地考虑了原始数据的均匀分布性问题。 以叶片“木模图”的水平截面线定义的叶片，这种方式在水轮机制造业现今仍被广泛采用，这种描述方式作为传递叶片曲面数据将在国内可能会相当长的时期内存在。 从实物模型测量，通过三维坐标测量叶片曲面上的点集，其测量方式有三坐标接触式测量和三维非接触式光学测量等。,叶片的原始数据的分布合理性和均匀性不仅决定了构造出的叶片曲面准确性和光顺性，而且也关系到为数字化设计与制造要求衍生出的各功能模型的质量。 对于方式的情况，可直接按沿流面截面线上的三维数据点进行参数化，先用NURBS对沿流面的截面线族进行曲线造型，然后采用基于沿流面的截面线族的蒙皮曲面构造

9、法进行叶片造型。 对于方式、则必须对原始数据进行预处理，以保证构造出的曲面的准确性和光顺性，使得保持与方式有同样的叶片原始曲面数据结构。对于方式情况，在要求的精度下反求出曲面，求出近似于沿流面的截面线族，再按类似的要求重构。,6.3.3 叶片的三维几何造型,（1）混流式叶片 在进行叶片几何造型过程中，首先要将叶片曲面体合理分成多张曲面的组合，以便准确模拟出叶片曲面体。 其次根据叶片上各张曲面的特点，选择适合的造型方法，以便能准确定义和反映实际工程的要求。 还要考虑曲面造型的误差控制、曲面的裁剪、延拓、求交、曲面的几何计算分析等曲面运算要求。,沿流面的叶片截面线簇,蒙皮构造叶片正面、背面,不带坡

10、口的叶片,带破口的叶片,（2）轴流式叶片 轴流式水轮机叶片是由带球面的法兰和多张雕塑曲面组成的曲面零件，轴流式叶片由具有雕塑曲面的正、背面，进水边变圆弧半径曲面，出水边曲面，轮缘球面，轮毂和法兰球面，轮缘的裙边曲面，轮毂和法兰与正、背面的过渡曲面等构成。在流体动力学设计中，其流面通常为圆柱面，叶片正背面是按在圆柱坐标系下给出的型值点。,带裙边的叶片,不带裙边的叶片,（3）叶轮,混流式水轮机转轮,轴流式水轮机转轮,双吸离心泵叶轮,6.3.4 叶片的几何计算和曲面性态分析,几何参数计算包括弧长、面积、体积、型心等。 几何求交计算包括了叶片的截面线、叶片的真实厚度和转轮的开口计算等，这些可归结为直线

11、与曲面求交、平面与曲面求交、曲面与曲面求交等。 曲率是进行叶片曲面性态分析的主要指标，叶片的光顺准则建立需要计算曲率，叶片加工的刀具轨迹规划需要根据曲率分布情况来确定方法。在刀具轨迹计算时，为了避免加工过程中发生过切，要判断在刀触点（CC: Cutter Contact）的曲 面的曲率半径是否大于刀具的有效曲率半径。,（1）叶片截面线的曲率和挠率 （2）叶片曲面的几何参数计算 （3）曲率及曲面的局部性态分析 （4）叶片真实厚度和转轮叶片开口计算 （5）叶片的截面线计算,6.4 流体机械的其它零件三维几何造型,在叶片式流体机械中，除叶轮类型零部件外，还有一些过流部件，如：蜗壳、导叶、顶盖、底环、尾水管等。这类零部件具有过流曲面，过流表面的曲面造型数据从过流部件的流体动力学设计而来，应首先完成过流表面的曲面造型，再进行其他部分的几何造型。 下面将结合水轮机部分典型零件的结构，简单介绍其三维几何模型建立方法。,6.4.1 以特征造型为主的零部件造型示例,底环,水轮发电机轴,连杆,6.4.2 以自由曲面为主的零件造型示例,蜗壳内表面,活动导叶,6.5 流体机械产品的数字化装配,流体机械产品是由多个零部件装配而成的。为了评价所设计的产品性能，需要在已完成零部件的数字化模型的基础上，定义零部件之间的配合关系，在计算机中建立产品的完整几何模型