基于特征的轴流泵叶轮自动建模

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1、水利学报2004年2月SHUILIXUEBAO第2期文章编号：0559-9350(2004)02-0045-05基于特征的轴流泵叶轮自动建模王海松1，王福军1，张志民2，刘自贵2(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083;2.中国水利水电科学研究院科禹泵制造厂，北京100044)摘要：采用基于特征的造型机制，对轴流泵叶轮的三维自动建模系统进行了研究。所提出的叶轮建模系统基于Pro-Engineer设计软件，采用二次开发工具Pro/Toolkit开发完成。文中重点分析了特征描述法、族表法、用户自定义特征法等三种造型方法的特点

2、及适用性，提出了叶轮轮毂体采用特征描述法、叶片采用用户自定义特征法的基本造型策略。给出了系统的技术路线、轮毂体及叶片自动建模的核心代码。造型实例证明了本方法具有适用性强、速度快的特点，为进行高效率的轴流泵CAD及高精度的流场计算(CFD)提供了一种新的途径。关键词：轴流泵；叶轮；自动建模；Pro/Engineer;二次开发中图分类号：TH312文献标识码：A三维模型不但能使计算机辅助设计与辅助制造(CAD/CAM)软件具备零件造型设计、装配、干涉检查、加工模拟等功能，而且还可为结构有限元分析(FEA)和内部流场的计算流体动力学分析(C

3、FD)提供初始网格，从而可让用户有效进行零件应力分析、热场计算、速度场和压力场求解。因此，对零件三维造型，特别是三维自动建模的研究，越来越引起人们的重视。[1]特征造型是当代CAD零件设计的定型主导技术。以特征作为产品定义的基本单元，将产品描述成特征的有机集合，能够打破设计制造活动的各个阶段和各种应用活动间的时间序列和信息次序，使CAD/CAM[2～４]的集成，结构分析与流动分析的集成等成为可能。这种技术国内外都进行了研究并应用到某些领域中。[5,6]而在水泵行业，现有的水泵CAD设计系统大部分是基于二维绘图环境，对水泵三维造型，特别

4、是三维自动建模的研究较少。目前在需要水泵三维模型的场合，如利用Fluent软件进行CFD分析时，一般是手工交互建模。这不仅耗时耗力、精度低，不便于模型的重复利用及快速修改，且要求用户必须掌握足够的建模知识。随着南水北调等大型水利工程的开工，对轴流泵，特别是大型轴流泵的应用越来越多，研究轴流泵的CAD、FEA及CFD性能，显得非常迫切。开发实用的具有三维自动实体造型功能的轴流泵CAD软件是泵CAD的一个发展方向。叶轮是轴流泵的核心部分，一方面它与泵的扬程、流量、效率、抗汽蚀性能等有着重要关系；另一方面，其形状复杂，难以进行三维精确描述，

5、给设计结果的分析造成了障碍。为此，作者在前期实现的轴流[7,8]泵水力设计软件的基础上，重点对叶轮的特征造型方法和CAD实施方案进行研究，并在目前使用最广泛的CAD支撑平台Pro/Engineer上实现。1叶轮3D自动建模的基本思路轴流泵的叶轮主要由轮毂体、叶片两大部分组成。因不同部件具有不同的几何和结构特征，为此，需要采用不同的造型策略才能实现自动造型。此外，还需要考虑并充分发挥现有CAD支撑软件所提供的辅助功能，才能设计出方便快速、具有极高精度的三维实体模型程序。收稿日期：2003-05-22作者简介：王海松(1976-)，男，湖

6、北黄冈人，博士生，研究方向为水力机械。45水利学报2004年2月SHUILIXUEBAO第2期参数化的CAD支撑软件Pro/Engineer不仅提供了交互设计功能，还向用户提供了二次开发工具Pro/Toolkit，这使得我们在常规CAD软件中自动完成水泵叶轮三维造型成为可能。Pro/Toolkit所提供的特征描述法、族表法和用户自定义特征法等方式，可分别用来进行水泵轮毂体、泵轴、叶片、转轮室的自动实体造型。对于轴流泵叶轮的轮毂体而言，其剖面图由直线和圆弧组成，但是直线和圆弧的数量、组合方式可能不一样，即模型不固定，因此可以使用特征描述

7、法来实现，特征描述法虽然需要从产品的底层详细构建模型，难度和工作量都很大，但是能够动态、灵活的实现一些非固定模型的构件。轴流泵的叶片是一个扭曲的几何面，它由多个二维截面来控制，每个截面又由许多控制点来控制。经作者分析比较及多次试验，发现采用自定义特征法来实现叶片部分的建模是可行的。用户定义特征法要预先手工构建模型，定义必要的特征，如几何特征、参考基准、可变尺寸以及可变尺寸的记号，并获得自定义特征文件(.gph)后编写程序实现参数化建模。这种方法比族表法容易，适合于复杂的固定模型。2轮毂体模型的自动生成轮毂体是一个轴对称的回转体，满足P

8、ro/Toolkit中的旋转特征。其自动造型程序的创建过程如下：先创建特征元素树，接着给出树的各个元素，如截面、参考面等，最后创建完整的特征、释放特征元素树。轮毂体的特征元素树示意图和定义如下：staticElemTre