Solidworks三維建模——軸流泵葉輪葉片

2013-07-12 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來(lái)源:仿真在線

1 引言

在葉輪機(jī)械的水力設(shè)計(jì)中,為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的泵,目前的發(fā)展是采用正反問(wèn)題相互迭代的方法,根據(jù)初步設(shè)計(jì)的泵,進(jìn)行三維湍流計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,修正某些幾何邊界,再進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算,采用人機(jī)對(duì)話,反復(fù)迭代,會(huì)得到性能優(yōu)良,即高效率,并滿足空化條件及其它要求的泵。近幾年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展,尤其是三維流動(dòng)分析的使用,三維數(shù)值模擬應(yīng)用越來(lái)越廣。這里基于Solidworks的三維建模功能,研究軸流泵葉輪葉片的三維建模方法。

2 基于Solidworks軸流泵葉輪葉片三維建模方法

在軸流泵葉輪葉片的設(shè)計(jì)和加工中,葉片的表面是由翼型的型值點(diǎn)給定的。用半徑為:和r十dr的兩個(gè)無(wú)限接近且與葉輪軸同軸的圓柱面截取一個(gè)微小圓柱層,取出并沿其母線切開(kāi)展為平面,葉片被圓柱面截割,其截面在平面上展開(kāi)就組成等距排列的一系列翼型,這一系列翼型稱為平面直列葉柵。在用平面直列葉柵理論設(shè)計(jì)軸流泵葉輪時(shí),得到在平面上給定的型值點(diǎn),如果把各型值點(diǎn)擬合的型值曲線直接作為半徑r處的截面輪廓曲線,由此得到的葉輪葉片三維模型誤差較大。因此為了得到比較理想的三維模型,必須尋找一種好的方法。經(jīng)分析可知,如果能得到半徑r處的截面,問(wèn)題就解決了。如何由翼型型值點(diǎn)得到半徑r處的截面呢尸根據(jù)Solidworks的建模功能,研究了如下的方法:先由翼型型值點(diǎn)找到對(duì)應(yīng)的截面在翼型展開(kāi)面上的投影點(diǎn),把各投影點(diǎn)擬合為投影曲線,然后通過(guò)一些命令就可得到軸流泵葉輪葉片的截面。其中最關(guān)鍵的是找出型值點(diǎn)與投影點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。下面對(duì)型值點(diǎn)與投影點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析推導(dǎo)。

如果用半徑為r和r+dr兩個(gè)無(wú)限接近且與葉輪軸同軸的圓柱面去截葉輪葉片。然后用一個(gè)垂直于軸向的平面去截這個(gè)葉片截面,得到一圓弧線。S表示截面的投影方向,P表示投影平面,S方向與平面P垂直,軸向方向?yàn)橛杉埫嫱庵赶蚶?A點(diǎn)是截面一輪廓點(diǎn),AC的長(zhǎng)為A點(diǎn)到投影方向S的距離,長(zhǎng)度為N, AB弧長(zhǎng)為M, B為AB弧長(zhǎng)所對(duì)的圓心角,r為圓柱面半徑。則有:

M=rθ(1)

N=rsinθ(2)

由公式(1)和公式(2)得:

N=rsin(M/r) (3)

根據(jù)公式(3)就可得出型值點(diǎn)與投影點(diǎn)的關(guān)系。圖3中P為圖2中的投影平面,T軸為葉輪軸線的投影,A1,點(diǎn)是A點(diǎn)的投影點(diǎn),A2點(diǎn)是A點(diǎn)的展開(kāi)點(diǎn),即A點(diǎn)的型值點(diǎn),N為A1到T軸的距離,M為A2到T軸的距離,N和M滿足公式(3),由此就得到A點(diǎn)在P平面上的投影,按照以上原理,用多個(gè)垂直于軸向的平面去截葉片截面就可得到一個(gè)葉片截面在投影面P上的一系列點(diǎn)。

在用Solidworks建模時(shí),把投影平面P作為一個(gè)草圖繪制平面,根據(jù)所給的型值點(diǎn)數(shù)據(jù),把各型值點(diǎn)擬合為型值曲線,量出它到葉輪軸線投影到P平面上的投影軸的距離M,再由公式(3)算出對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)到葉輪軸線到尸平面上的投影軸的距離N,根據(jù)此距離即可得到投影點(diǎn),然后把各投影點(diǎn)通過(guò)樣條曲線命令擬合為投影曲線,由投影曲線就可得到半徑r處的截面。

3 軸流泵葉輪葉片三維建模實(shí)例
軸流泵葉輪葉片是特殊的曲面零件,在建模時(shí),一方面要考慮到葉片冀型分散的型值點(diǎn),另一方面也要考慮需要滿足的精度。在設(shè)計(jì)、加工和用仿真軟件進(jìn)行仿真時(shí),才能得到比較理想的結(jié)果。

這里應(yīng)用Solidworks的三維建模功能,以一具體實(shí)例,進(jìn)一步說(shuō)明軸流泵葉輪葉片的三維建模方法。首先按以上方法把各截面的型值點(diǎn)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn),由投影點(diǎn)擬合為投影曲線,再通過(guò)曲面剪切、曲面放樣、曲面縫合、曲面加厚度、旋轉(zhuǎn)陣列得到葉輪葉片。

軸流泵葉輪的具體參數(shù)為:葉輪直徑D = 300mm,輪毅比dh/D=0.45,轂徑dh=135mm,葉片數(shù)Z=3。軸流泵葉輪葉片的幾何輪廓要素。

D表示截面直徑,l表示翼型弦長(zhǎng),ymax表示翼型的最大厚度,β表示翼型安放角。

根據(jù)數(shù)據(jù)就可得到葉片表面的型值,將所有的型值作成電子表格。

按以下步驟建造具體的葉輪葉片三維模型。

第一步:根據(jù)各截面翼型型值點(diǎn)建立各截面曲面:

(1)在前視面畫(huà)草圖拉伸一個(gè)直徑D=0.135m足夠長(zhǎng)的圓柱面;

(2)把上視面偏置一定距離建立一個(gè)基準(zhǔn)平面,在此基準(zhǔn)平面上畫(huà)草圖標(biāo)出直徑D=0.135m的各型值點(diǎn):通過(guò)樣條曲線命令把各型值點(diǎn)擬合為型值曲線,由公式(3)求出各型值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn),把各投影點(diǎn)通過(guò)樣條曲線命令擬合為投影曲線。

I為型值曲線,ΙΙ為投影曲線,虛線為葉輪軸線投影到此基準(zhǔn)平面上的投影軸,M為型值曲線上某一型值點(diǎn)到投影軸的距離,N為對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)到投影軸的距離,N=rsin(M/r)。

(3)刪除型值曲線,用草圖剪切曲面命令,剪切第一步(1)中的圓柱面,就得到了直徑D=0.135m處單個(gè)叫片截面所示。

(4)按同樣的方法就可得到其它切面處單個(gè)葉片截面。

第二步:通過(guò)曲面放樣命令得到葉片曲面。

第三步:通過(guò)曲面縫合命令把放樣曲面、底面和頂面縫合為一個(gè)曲面;

第四步:通過(guò)曲面加厚度命令把縫合曲面加厚為一個(gè)實(shí)體。

第五步:建立輪毅模型。

第六步:通過(guò)旋轉(zhuǎn)陣列得到所有的葉片。具體完成的葉輪。葉片的三維模型。

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