基于Pro/E的離心泵扭曲葉片造型

2014-11-27 千勃興 西北農林科技大學

  葉輪是泵重要的傳遞動力部件,為了提高其水力效率,往往將葉片設計成復雜的扭曲形狀,F在對于葉輪的三維建模都是從已設計好的二維木模圖上獲取點坐標,導入三維軟件中,以點線面的方式構造。在以往葉片曲面的實體建模中,多是將葉片表面的型線直接混合,不利于對曲面的修整。進入Pro/E特定的造型環境下,可以方便地利用各種針對曲線和曲面的分析編輯工具,實現對曲面光順的有效控制,從而使設計出的葉片表面光順,滿足后續流體分析和數控制造的要求。

  引言

  離心泵在排水灌溉等農業生產中發揮著舉足輕重的作用,是從事生產活動不可或缺的工具。葉輪是離心泵重要的過流部件,由它將動力傳遞給液體。由于葉片承擔能量轉換的任務,因此葉片性能的好壞將直接影響泵的水力性能。目前,葉片的設計多數仍基于一元設計理論。一元設計理論假設速度沿同一個過水截面均勻分布,則軸面流速只隨軸面流線的一個坐標變化。而事實上離心泵葉輪中的流動是復雜的三元流動,這種近似與簡化的設計理論在最終效果上無疑會帶來誤差。再加上基于速度系數法的經驗設計又存在一些設計結果的不確定因素,因此對于設計好的葉輪需要進行數值模擬,確保滿足使用要求后才可用于加工。另外,傳統的二維木模圖也不利于數控加工。所以,無論做數值模擬,還是數控加工,都需要精確構建葉輪的三維實體。Pro/E具有很強大的曲面造型能力,并且擁有豐富的曲面分析修改工具,利用Pro/E軟件構建葉片曲面,可以建立比較光順且精確的葉片實體。一方面,由于Pro/E與ANSYS軟件有無縫接口,可直接導入其子軟件FLUENT中進行流體仿真;另一方面,Pro/E自身也具有良好的數控加工模塊,可直接進行數字化制造。

1、葉片數據的提取

  葉輪建模的關鍵在于葉片形狀的繪制。目前,已證實扭曲葉片在提高水力效率和抗空化性能方面優于圓柱形葉片,因此葉片往往被設計成扭曲形狀,它反映在空間中是不規則的復雜曲面。通常情況下,建立葉片三維模型的方法多是將獲得的點云導入到CAD造型軟件中,利用樣條工具(多數基于NURBS算法)將這些點擬合成線條,再把線條擬合成曲面[6-10]。它是一種點—線—面、自底向上的建模方式。采集點云的途徑有兩種:一是屬于反求設計,是逆向工程的范疇,利用三坐標測量機等設備掃描現有葉輪的輪廓,來獲取葉片表面上一系列坐標點。這種做法需要先進的硬件支持,其建模效果的優劣取決于儀器的精度、測量者的操作以及葉片本身的光滑度。通常需要先對點云進行預處理,去除毛刺,然后才可導入造型軟件。二是通過設計計算,然后在二維CAD軟件中繪制木模圖而得,流程如下:根據給定的設計要求,粗精算葉輪尺寸—葉輪軸面投影圖—流線分段—方格網—軸面截線—木模圖(剪裁圖)。這種做法不需要實物和測量設備,得出的數據點也較前者規整,但設計過程中需要對前人類似的產品圖樣進行參考,這在很大程度上依賴經驗,并且存在計算繁瑣和操作重復的缺點。因此,設計的程序化成為必然趨勢。在AutoCAD中繪制二維木模圖時編寫一些簡單的AutoLISP語句(如while或repeat),來實現循環操作,可有效減輕設計者的工作量。目前已經有這一類的水泵設計軟件問世,在不斷向著高精度、高效率和集成化的方向邁進。

2、葉輪的實體建模

  葉片的三維造型方法較多,但多是通過掃描、混合或其相似的命令完成。如文獻[6]中提到的插入—混合—伸出項—旋轉命令,就是對葉片過中心軸的等角度軸截面做掃描。由于葉片表面的型線可由等間隔軸垂面和等角度軸面兩種面系與葉片表面形成截交線,因此葉片表面的點數據有橫向和縱向兩種排列方式,這樣就有相應的兩種混合方式形成葉片前后曲面。本文使用后一種做法,利用縱向數據橫向混合。用圖1所示的葉片軸面投影圖和木模圖(未出示)進行三維造型。在已取得葉片表面有效數據的前提下,葉輪的三維建模包含如下幾個步驟。

基于Pro/E的離心泵扭曲葉片造型

圖1軸面截線圖

3、結束語

  從整個造型過程來看,對于葉片進口處靠近前蓋板的葉尖區域的處理是整個建模的重點和難點。這部分的曲率變化較大,扭曲葉片的特性就體現于此,而從木模圖上得出的葉尖處數據不多甚至不精確,這就有可能造成光順以后的葉片不一定達到預期的水力效果。因此,在做流體仿真時應對這個地方予以足夠的重視。

  現在葉輪造型主要還是先在二維繪圖軟件中繪制出木模圖,從中獲取數據后再導入三維軟件中造型,這從設計的角度上并不簡便,而繪制木模圖對軟件的平面操作性能要求較高,在三維軟件中進行平面設計就顯得有難度。要想在三維軟件中實現一站式造型,就必須把圖形操作用數理計算來替代,為此就需要構建數學方程,去近似擬合成葉片曲面的骨線。

  本文論述了離心泵扭曲葉片在Pro/E4.0中的造型與曲面分析方法,建立了比較精準的葉輪實體,為離心泵全流道的流體仿真和葉輪的數字化制造打下了基礎,從而保證離心泵在農業生產中有較好的抗空化能力和較高的水力效率。