基于Pro/E的离心泵扭曲叶片造型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北农林科技大学 作者:千勃兴

  叶轮是泵重要的传递动力部件,为了提高其水力效率,往往将叶片设计成复杂的扭曲形状。现在对于叶轮的三维建模都是从已设计好的二维木模图上获取点坐标,导入三维软件中,以点线面的方式构造。在以往叶片曲面的实体建模中,多是将叶片表面的型线直接混合,不利于对曲面的修整。进入Pro/E特定的造型环境下,可以方便地利用各种针对曲线和曲面的分析编辑工具,实现对曲面光顺的有效控制,从而使设计出的叶片表面光顺,满足后续流体分析和数控制造的要求。

  引言

  离心泵在排水灌溉等农业生产中发挥着举足轻重的作用,是从事生产活动不可或缺的工具。叶轮是离心泵重要的过流部件,由它将动力传递给液体。由于叶片承担能量转换的任务,因此叶片性能的好坏将直接影响泵的水力性能。目前,叶片的设计多数仍基于一元设计理论。一元设计理论假设速度沿同一个过水截面均匀分布,则轴面流速只随轴面流线的一个坐标变化。而事实上离心泵叶轮中的流动是复杂的三元流动,这种近似与简化的设计理论在最终效果上无疑会带来误差。再加上基于速度系数法的经验设计又存在一些设计结果的不确定因素,因此对于设计好的叶轮需要进行数值模拟,确保满足使用要求后才可用于加工。另外,传统的二维木模图也不利于数控加工。所以,无论做数值模拟,还是数控加工,都需要精确构建叶轮的三维实体。Pro/E具有很强大的曲面造型能力,并且拥有丰富的曲面分析修改工具,利用Pro/E软件构建叶片曲面,可以建立比较光顺且精确的叶片实体。一方面,由于Pro/E与ANSYS软件有无缝接口,可直接导入其子软件FLUENT中进行流体仿真;另一方面,Pro/E自身也具有良好的数控加工模块,可直接进行数字化制造。

1、叶片数据的提取

  叶轮建模的关键在于叶片形状的绘制。目前,已证实扭曲叶片在提高水力效率和抗空化性能方面优于圆柱形叶片,因此叶片往往被设计成扭曲形状,它反映在空间中是不规则的复杂曲面。通常情况下,建立叶片三维模型的方法多是将获得的点云导入到CAD造型软件中,利用样条工具(多数基于NURBS算法)将这些点拟合成线条,再把线条拟合成曲面[6-10]。它是一种点—线—面、自底向上的建模方式。采集点云的途径有两种:一是属于反求设计,是逆向工程的范畴,利用三坐标测量机等设备扫描现有叶轮的轮廓,来获取叶片表面上一系列坐标点。这种做法需要先进的硬件支持,其建模效果的优劣取决于仪器的精度、测量者的操作以及叶片本身的光滑度。通常需要先对点云进行预处理,去除毛刺,然后才可导入造型软件。二是通过设计计算,然后在二维CAD软件中绘制木模图而得,流程如下:根据给定的设计要求,粗精算叶轮尺寸—叶轮轴面投影图—流线分段—方格网—轴面截线—木模图(剪裁图)。这种做法不需要实物和测量设备,得出的数据点也较前者规整,但设计过程中需要对前人类似的产品图样进行参考,这在很大程度上依赖经验,并且存在计算繁琐和操作重复的缺点。因此,设计的程序化成为必然趋势。在AutoCAD中绘制二维木模图时编写一些简单的AutoLISP语句(如while或repeat),来实现循环操作,可有效减轻设计者的工作量。目前已经有这一类的水泵设计软件问世,在不断向着高精度、高效率和集成化的方向迈进。

2、叶轮的实体建模

  叶片的三维造型方法较多,但多是通过扫描、混合或其相似的命令完成。如文献[6]中提到的插入—混合—伸出项—旋转命令,就是对叶片过中心轴的等角度轴截面做扫描。由于叶片表面的型线可由等间隔轴垂面和等角度轴面两种面系与叶片表面形成截交线,因此叶片表面的点数据有横向和纵向两种排列方式,这样就有相应的两种混合方式形成叶片前后曲面。本文使用后一种做法,利用纵向数据横向混合。用图1所示的叶片轴面投影图和木模图(未出示)进行三维造型。在已取得叶片表面有效数据的前提下,叶轮的三维建模包含如下几个步骤。

基于Pro/E的离心泵扭曲叶片造型

图1轴面截线图

3、结束语

  从整个造型过程来看,对于叶片进口处靠近前盖板的叶尖区域的处理是整个建模的重点和难点。这部分的曲率变化较大,扭曲叶片的特性就体现于此,而从木模图上得出的叶尖处数据不多甚至不精确,这就有可能造成光顺以后的叶片不一定达到预期的水力效果。因此,在做流体仿真时应对这个地方予以足够的重视。

  现在叶轮造型主要还是先在二维绘图软件中绘制出木模图,从中获取数据后再导入三维软件中造型,这从设计的角度上并不简便,而绘制木模图对软件的平面操作性能要求较高,在三维软件中进行平面设计就显得有难度。要想在三维软件中实现一站式造型,就必须把图形操作用数理计算来替代,为此就需要构建数学方程,去近似拟合成叶片曲面的骨线。

  本文论述了离心泵扭曲叶片在Pro/E4.0中的造型与曲面分析方法,建立了比较精准的叶轮实体,为离心泵全流道的流体仿真和叶轮的数字化制造打下了基础,从而保证离心泵在农业生产中有较好的抗空化能力和较高的水力效率。

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