Chap6-流體機(jī)械中典型零件的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)

1、第第6章章 流體機(jī)械中典型零件的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)流體機(jī)械中典型零件的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容6.1幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)6.2葉輪類(lèi)部件的三維幾何造型6.3葉輪幾何設(shè)計(jì)的數(shù)字化建模方法6.4流體機(jī)械的其他零件三維幾何造型6.5流體機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配 6.1 幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)6.1.1 幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的基本功能要求幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的基本功能要求 在葉片式流體機(jī)械的三維幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于涉及到復(fù)雜的雕塑曲面零部件幾何造型，零部件的裝配關(guān)系復(fù)雜，考慮到數(shù)字化加工一體化，應(yīng)該采用功能強(qiáng)大的CAD/CAM商業(yè)軟件作為數(shù)字化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。選擇CAD/CAM商業(yè)軟

2、件至少應(yīng)該具備有以下幾個(gè)方面的處理能力。（1）交互圖形輸入和輸出功能）交互圖形輸入和輸出功能（2）幾何造型功能和數(shù)字化裝配功能）幾何造型功能和數(shù)字化裝配功能（3）與其他應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換）與其他應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換（4）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理功能）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理功能（5）二維繪圖功能）二維繪圖功能6.1.2 商業(yè)化的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展?fàn)顩r商業(yè)化的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展?fàn)顩r 在在20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代，開(kāi)始，開(kāi)始出現(xiàn)商品化的硬件和軟件。以小型和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)商品化的硬件和軟件。以小型和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)為主的為主的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)并成為主流。如系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)并成為主流。如Computer

3、 Vision、Intergraph、Calma、Applicon等等。 70年代末以后，年代末以后，32位工作站和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)對(duì)位工作站和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)對(duì)CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展起技術(shù)的發(fā)展起了極大的推動(dòng)作用了極大的推動(dòng)作用。 1979年美國(guó)的年美國(guó)的SDRC公司推出了世界上第一個(gè)基于實(shí)體造型技術(shù)的大型公司推出了世界上第一個(gè)基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CADCAM軟件軟件I-DEAS。實(shí)體造型技術(shù)是。實(shí)體造型技術(shù)是CAD技術(shù)上的第二次技術(shù)革命技術(shù)上的第二次技術(shù)革命。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期后，以工作站為基礎(chǔ)的年代中期后，以工作站為基礎(chǔ)的CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展很快，其功能系統(tǒng)發(fā)展很快，其功能

4、達(dá)到甚至超過(guò)小型機(jī)達(dá)到甚至超過(guò)小型機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)系統(tǒng)。 80年代末期，美國(guó)的參數(shù)技術(shù)公司年代末期，美國(guó)的參數(shù)技術(shù)公司PTC(Parameter Technology Corp)研制的研制的命名為命名為ProEngineer的參數(shù)化軟件，引起了的參數(shù)化軟件，引起了CAD技術(shù)的第三次技術(shù)革命技術(shù)的第三次技術(shù)革命。 SDRC公司以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了更為先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)公司以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了更為先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)變量化變量化技術(shù)技術(shù)。被。被視為視為CAD技術(shù)的第四次技術(shù)革命。技術(shù)的第四次技術(shù)革命。6.1.2 商業(yè)化的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展?fàn)顩r商業(yè)化的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展?fàn)顩r

5、目前作為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的主流CAD/CAM系統(tǒng)有： 美國(guó)美國(guó)UGS公司公司Unigraphics NX；美國(guó)；美國(guó)PTC公公司的司的Pro/Engineer；法國(guó)；法國(guó)Dassault公司研究開(kāi)發(fā)公司研究開(kāi)發(fā)的的CATIA；美國(guó)洛克希德飛機(jī)制造公司研制開(kāi)；美國(guó)洛克希德飛機(jī)制造公司研制開(kāi)發(fā)的發(fā)的CADAM；法國(guó)；法國(guó)Matra Datavision公司研究公司研究開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)的EUCLID 等。等。這些軟件都可以作為葉片式流體機(jī)械的幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件。6.2 葉輪類(lèi)部件的三維幾何造型葉輪類(lèi)部件的三維幾何造型6.2.1 葉輪幾何模型與其他分析模型的關(guān)系葉輪幾何模型與其他分析模型的關(guān)系 葉輪設(shè)計(jì)與制

6、造技術(shù)涉及到多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造要求產(chǎn)品的數(shù)字化模型在各階段的分析和應(yīng)用模型能夠保持信息的一致性和可重用性。 葉輪幾何設(shè)計(jì)建模應(yīng)注意事項(xiàng): 模型間的數(shù)據(jù)能夠重用，從而建模時(shí)可減少大量的重復(fù)性勞動(dòng)，各種分析模型應(yīng)能從轉(zhuǎn)輪的幾何數(shù)字化模型自動(dòng)衍生。 模型間數(shù)據(jù)的一致性和可重用性，以大大減少了建模的工作量。 模型間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互操作，使有些相互密切關(guān)聯(lián)的分析過(guò)程易以交流信息。 2022-7-4西華大學(xué) 賴喜德 教授7葉輪的幾何模型與各個(gè)應(yīng)用模型的關(guān)系葉輪的幾何模型與各個(gè)應(yīng)用模型的關(guān)系 葉片毛坯制造葉片數(shù)控加工流場(chǎng)計(jì)算分析葉片三維測(cè)量葉輪結(jié)構(gòu)分析葉 輪 數(shù) 字 化 設(shè) 計(jì) 與 制

7、造 中 的 模 型 及 應(yīng) 用葉 輪 的 流 體 動(dòng)力 學(xué) 模 型葉 輪 的 幾 何 模 型映 射機(jī) 制仿真加工毛坯生成6.2.2 葉輪的幾何設(shè)計(jì)方法葉輪的幾何設(shè)計(jì)方法 在通常情況下，混流式（離心式）葉（轉(zhuǎn)）輪由具有回轉(zhuǎn)體特征的前、后蓋板（上冠、下環(huán)）與一組葉片組成，軸流式葉（轉(zhuǎn)）輪由具有回特征的輪轂體與一組葉片組成。 回轉(zhuǎn)體特征的零件的幾何造型比較簡(jiǎn)單，葉輪類(lèi)零件的幾何設(shè)計(jì)重點(diǎn)在葉片的幾何造型上。由于葉輪類(lèi)型不同，其葉片曲面的形狀會(huì)有所不同。 低比轉(zhuǎn)速葉輪的葉片多是直紋面，中高比轉(zhuǎn)速葉輪的葉片是雕塑（自由）曲面。采用專(zhuān)業(yè)采用專(zhuān)業(yè)“木模圖木模圖”表示來(lái)定義葉片存在的問(wèn)題表示來(lái)定義葉片存在的問(wèn)題

8、 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用專(zhuān)業(yè)“木模圖”將空間三維幾何計(jì)算轉(zhuǎn)化為二維計(jì)算，回避了葉片空間曲面的三維幾何設(shè)計(jì)和建模問(wèn)題。 對(duì)于數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造將存在以下主要的問(wèn)題：葉片的葉片的“木模圖木模圖”數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化定義葉數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化定義葉片片不能滿足數(shù)字化幾何造型的要求不能滿足數(shù)字化幾何造型的要求不能滿足數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中的模型一致性要求不能滿足數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中的模型一致性要求6.3 葉輪幾何設(shè)計(jì)的數(shù)字化建模方法葉輪幾何設(shè)計(jì)的數(shù)字化建模方法6.3.1 葉片曲面數(shù)字化的幾何模型選擇葉片曲面數(shù)字化的幾何模型選擇 NURBS在數(shù)學(xué)和力學(xué)上有良好的保形性，而葉輪的葉片在數(shù)學(xué)和力學(xué)上有良好的保形性，而葉輪的

9、葉片由多張自由曲線曲面封閉而成。正因?yàn)槿绱耍谌~片幾何由多張自由曲線曲面封閉而成。正因?yàn)槿绱耍谌~片幾何建模時(shí)，一般采用建模時(shí)，一般采用NURBS作為葉片曲面幾何設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)作為葉片曲面幾何設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。模型。 在實(shí)際工程中，廣泛三次在實(shí)際工程中，廣泛三次NURBS曲線來(lái)構(gòu)造葉片的截面曲線來(lái)構(gòu)造葉片的截面線?；诮孛婢€族的蒙皮法構(gòu)造曲面線?；诮孛婢€族的蒙皮法構(gòu)造曲面6.3.2 葉片曲面原始數(shù)據(jù)參數(shù)化葉片曲面原始數(shù)據(jù)參數(shù)化 為了反求葉片的為了反求葉片的NURBS曲面數(shù)字化模型，必須進(jìn)行參數(shù)曲面數(shù)字化模型，必須進(jìn)行參數(shù)化，通過(guò)參數(shù)化反求控制頂點(diǎn)。化，通過(guò)參數(shù)化反求控制頂點(diǎn)。 葉片曲面的原始數(shù)據(jù)及

10、其參數(shù)化對(duì)于構(gòu)造的葉片曲面的準(zhǔn)葉片曲面的原始數(shù)據(jù)及其參數(shù)化對(duì)于構(gòu)造的葉片曲面的準(zhǔn)確性和光順性起決定性的作用。確性和光順性起決定性的作用。 葉片曲面的參數(shù)化對(duì)于葉片的設(shè)計(jì)修改、數(shù)字化加工中的葉片曲面的參數(shù)化對(duì)于葉片的設(shè)計(jì)修改、數(shù)字化加工中的刀位軌跡計(jì)算、分析模型的離散網(wǎng)格化等有直接關(guān)系。對(duì)刀位軌跡計(jì)算、分析模型的離散網(wǎng)格化等有直接關(guān)系。對(duì)于葉片曲面采用截面線族為參數(shù)線的于葉片曲面采用截面線族為參數(shù)線的蒙皮曲面構(gòu)造法蒙皮曲面構(gòu)造法，為，為了滿足葉片的流體動(dòng)力學(xué)性能和加工性能，截面線應(yīng)與流了滿足葉片的流體動(dòng)力學(xué)性能和加工性能，截面線應(yīng)與流線一致。曲面數(shù)據(jù)點(diǎn)的參數(shù)化應(yīng)以截面曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)的參數(shù)線一致。曲面

11、數(shù)據(jù)點(diǎn)的參數(shù)化應(yīng)以截面曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)的參數(shù)化為基礎(chǔ)?；癁榛A(chǔ)。 在實(shí)際工程中，葉片曲面的原始數(shù)據(jù)主要有以下三個(gè)來(lái)源：從第1章所述的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中計(jì)算出沿流面截面線的沿流面截面線的三維坐標(biāo)點(diǎn)集三維坐標(biāo)點(diǎn)集，在此種情況，在流體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)已較好地考慮了原始數(shù)據(jù)的均勻分布性問(wèn)題。以葉片以葉片“木模圖木模圖”的水平截面線定義的葉片的水平截面線定義的葉片，這種方式在水輪機(jī)制造業(yè)現(xiàn)今仍被廣泛采用，這種描述方式作為傳遞葉片曲面數(shù)據(jù)將在國(guó)內(nèi)可能會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)存在。從實(shí)物模型測(cè)量，通過(guò)三維坐標(biāo)測(cè)量葉片曲面上的點(diǎn)集三維坐標(biāo)測(cè)量葉片曲面上的點(diǎn)集，其測(cè)量方式有三坐標(biāo)接觸式測(cè)量和三維非接觸式光學(xué)測(cè)量等。 葉片的原

12、始數(shù)據(jù)的分布合理性和均勻性不僅決定了構(gòu)造出的葉片曲面準(zhǔn)確性和光順性，而且也關(guān)系到為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造要求衍生出的各功能模型的質(zhì)量。 對(duì)于方式的情況，可直接按沿流面截面線上的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化，先用NURBS對(duì)沿流面的截面線族進(jìn)行曲線造型，然后采用基于沿流面的截面線族的蒙皮曲面構(gòu)造法進(jìn)行葉片造型。 對(duì)于方式、則必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以保證構(gòu)造出的曲面的準(zhǔn)確性和光順性，使得保持與方式有同樣的葉片原始曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于方式情況，在要求的精度下反求出曲面，求出近似于沿流面的截面線族，再按類(lèi)似的要求重構(gòu)。6.3.3 葉片的三維幾何造型葉片的三維幾何造型（1）混流式葉片）混流式葉片在進(jìn)行葉片幾何造型過(guò)

13、程中，首先要將葉片曲面在進(jìn)行葉片幾何造型過(guò)程中，首先要將葉片曲面體合理分成多張曲面的組合，以便準(zhǔn)確模擬出葉體合理分成多張曲面的組合，以便準(zhǔn)確模擬出葉片曲面體。片曲面體。其次根據(jù)葉片上各張曲面的特點(diǎn)，選擇適合的造其次根據(jù)葉片上各張曲面的特點(diǎn)，選擇適合的造型方法，以便能準(zhǔn)確定義和反映實(shí)際工程的要求。型方法，以便能準(zhǔn)確定義和反映實(shí)際工程的要求。還要考慮曲面造型的誤差控制、曲面的裁剪、延還要考慮曲面造型的誤差控制、曲面的裁剪、延拓、求交、曲面的幾何計(jì)算分析等曲面運(yùn)算要求。拓、求交、曲面的幾何計(jì)算分析等曲面運(yùn)算要求。 沿流面的葉片截面線簇沿流面的葉片截面線簇蒙皮構(gòu)造葉片正面、背面蒙皮構(gòu)造葉片正面、背面不

14、帶坡口的葉片不帶坡口的葉片帶破口的葉片帶破口的葉片（2）軸流式葉片）軸流式葉片軸流式水輪機(jī)葉片是由帶球面的法蘭和多張雕塑曲面組成的曲面零件，軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進(jìn)水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭與正、背面的過(guò)渡曲面等構(gòu)成。在流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中，其流面通常為圓柱面，葉片正背面是按在圓柱坐標(biāo)系下給出的型值點(diǎn)。 帶裙邊的葉片帶裙邊的葉片不帶裙邊的葉片不帶裙邊的葉片 （3）葉輪）葉輪混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪雙吸離心泵葉輪雙吸離心泵葉輪6.3.4 葉片的幾何計(jì)算和曲面性態(tài)分析葉片的幾何計(jì)算和曲面性態(tài)

15、分析 幾何參數(shù)計(jì)算包括弧長(zhǎng)、面積、體積、型心等。 幾何求交計(jì)算包括了葉片的截面線、葉片的真實(shí)厚度和轉(zhuǎn)輪的開(kāi)口計(jì)算等，這些可歸結(jié)為直線與曲面求交、平面與曲面求交、曲面與曲面求交等。 曲率是進(jìn)行葉片曲面性態(tài)分析的主要指標(biāo)，葉片的光順準(zhǔn)則建立需要計(jì)算曲率，葉片加工的刀具軌跡規(guī)劃需要根據(jù)曲率分布情況來(lái)確定方法。在刀具軌跡計(jì)算時(shí)，為了避免加工過(guò)程中發(fā)生過(guò)切，要判斷在刀觸點(diǎn)（CC: Cutter Contact）的曲 面的曲率半徑是否大于刀具的有效曲率半徑。 （1）葉片截面線的曲率和撓率）葉片截面線的曲率和撓率（2）葉片曲面的幾何參數(shù)計(jì)算）葉片曲面的幾何參數(shù)計(jì)算（3）曲率及曲面的局部性態(tài)分析）曲率及曲面的

16、局部性態(tài)分析（4）葉片真實(shí)厚度和轉(zhuǎn)輪葉片開(kāi)口計(jì)算）葉片真實(shí)厚度和轉(zhuǎn)輪葉片開(kāi)口計(jì)算（5）葉片的截面線計(jì)算）葉片的截面線計(jì)算6.4 流體機(jī)械的其它零件三維幾何造型流體機(jī)械的其它零件三維幾何造型 在葉片式流體機(jī)械中，除葉輪類(lèi)型零部件外，還有一些過(guò)流部件，如：蝸殼、導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、尾水管等。這類(lèi)零部件具有過(guò)流曲面，過(guò)流表面的曲面造型數(shù)據(jù)從過(guò)流部件的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)而來(lái)，應(yīng)首先完成過(guò)流表面的曲面造型，再進(jìn)行其他部分的幾何造型。 下面將結(jié)合水輪機(jī)部分典型零件的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單介紹其三維幾何模型建立方法。 6.4.1 以特征造型為主的零部件造型示例以特征造型為主的零部件造型示例底環(huán)底環(huán)水輪發(fā)電機(jī)軸水輪發(fā)電機(jī)軸連桿連桿6.4.2 以自由曲面為主的零件造型示例以自由曲面為主的零件造型示例蝸殼內(nèi)表面蝸殼內(nèi)表面活動(dòng)導(dǎo)葉活動(dòng)導(dǎo)葉6.5 流體機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配流體機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配 流體機(jī)械產(chǎn)品是由多個(gè)零部件裝配而成的。為了評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性