中国信息官CIO精英 前沿视野 经验之谈 职业发展 信息官杂谈 | 产品资讯笔记本 商用电脑 服务器 办公 网络设备 存储设备 软件 显示设备 其他

您当前的位置: 首页 > 应用 > CAD 〉基于UG的叶轮实体造型研究

基于UG的叶轮实体造型研究

2009-07-29 10:03:15

  一、引言

  叶轮类零件是一类具有代表性的复杂零件,被广泛应用于航空航夭领域。叶轮结构复杂:种类繁多。工作型面的设计涉及到了空气动力学等多个学科,因此曲面造型质量、加工手段等对叶轮性能参数都有很大的影响。

  精确的几何实体造型是叶轮数控加工的必要前提。研究整体叶轮的实体造型因而具有重要意义。许多不断成熟起来的CAO/CAM软件为高精度的叶轮造型提供了有力的支持,比如Siemens PLM  Software公司的UG NX。U6 NX是一款集CAD/CAM/CAE于一体的工程软件,它具有较强的曲面造型和数控加工编程功能,并且提供了应用开发模块,为用户提供二次开发接口,给复杂曲面的数控加工带来了很大的方便。本文基于UG NX曲面造型系统,研究了整体叶轮实体造型的具体过程和一般原则。

  二、叶轮造型方法概述

  整体叶轮的实体造型主要包括创建叶片实体和轮毂实体两部分。叶片曲面为光顺性、连续性要求较高的自由曲面,其截面线是复杂的自由曲线,因此叶片实体造型难度较大。目前,一般先创建截面线,再采用通过截面线(through curve引的方法进行叶片的曲面造型。轮毅的创建较为简单,在草图方式下创建截面线串,通过旋转(RevolVe)命令对截面线串旋转,再创建轮毂回转体。可见,整体叶轮造型的关键是叶片实体的造型。

  叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分,其设计要求较高,曲面特征也较复杂。叶轮的设计图样提供了叶片五个截面的数据点坐标(如图1)及前(后)缘处圆弧所在圆的圆心和直径(如图2)。笔者通过对满足设计要求的叶片实体造型方法的研究,提出其造型过程中需要遵循的般原则。

/

/

  (1)在保证精度的条件下,应尽可能降低样条曲线的次数,推荐使用不超过四次的曲线,且五个截面要生成相同次数的曲线。

  (2)在每个截面样条曲线的前、后缘曲率比较大的部位,控制顶点的分布要密一些,而在曲率比较小、叶身曲线比较平直的部位,给定稀疏的均匀分布点即可。

  (3)五个裁面样条曲线上相应控制顶点的数量尽量相等,且分布的变化规律相同。

  (4)尽量使截面样条曲线的曲率变化均匀。

  三、叶片的创建

  1.截面数据的获取与处理

  叶轮叶片截面线数据的获取主要有两种方法一种是通过对实体进行测量获取数据点坐标,另一种是通过理论计算获取数据点。本文的原始数据点是通过测量获得,即先通过对叶轮原型的几何尺寸进行测量,再根据测量的数据重建此零件的CAD模型。

  原始数据的测量,主要分为接触式和非接触式两类:接触式测量(如三坐标测量机、机械手式测量机)具有精度高、减少冗余数据的优点,是直接对所需截面进行测量,得到截面线数据列表,但效率较低;非接触式测最常采用激光扫描(如结构光测量仪),数据完整、效率高,同时数据量大,对数据后续处理带来负担。利用激光扫描采集的数据通常是无序散乱的“点云”。数量较大需要先进行去噪处理,再利用分割面将数据点云处理成按扫描线存储的“结构化”测量数据;经过排序最后亦可得截面线数据列表。

  叶片基于UG NX的曲面造型,通常采用通过截面线(through  Curves)的方法进行。根据获得的截面列表曲线坐标点,把造型所需的数据文件转化成UG NX能够识别的数据格式,即.dat文件,为每个截面线创建一个文件,方便截面线数据的读取和修改。本文的叶片模型是给定了五个截面线的数据点,需要创建五个数据文件。

  2.截面线曲线的创建

  一般每个截面曲线由四段曲线拼接而成,包括凸面、凹面的三次祥条曲线和前(后)边缘处半径很小的圆弧,这满足在拼接点一阶导数连续,其他点处保持一阶、二阶导数都连续。用这种方法生成的截面线再扫掠生成叶片实体,如果叶片实体的光顺性达不到要求,需要重新对点的坐标进行修改,重新生成截面线,再根据修改的裁面线扫掠生成实体,因此工作量非常大,且许多原始数据都是通过对实物的实际NlJ量获得,误差较大。在造型过程中,需要不断对叶片数据进行修改,因而这种截面线的构造方法是不可取的。

  在实例的设计要求中给出了叶高方向五个截面的原始数据(包括叶片型线坐标点,前(后)缘两段圆弧的圆心和半径),需要通过给定数据点为每个截面插值生成一条样条曲线。本文首先很据图样给定的前(后)缘处的回心和半径数据做圆;然后以此圆为参考,调节样条曲线前(后)缘处的控制顶点,使截面样条线在前(后)缘处尽量贴合所做的圆。通过这种方法拟合成五个截面样条曲线,扫掠生成的叶片实体如果不满足光顺要求,只需对控制顶点进行调节。即可完成对叶片实体的光顺处理。这不需姿重新扫掠截面线生成实体,工作变得简单,更符合uG的参数化设计理念。其具体实现步骤如下。

  先选择“样条曲线(SPllne)”命令,选择种样条曲线拟合方式,使用“Through Points”方式,使样条曲线通过测量所得的点f当然还要根据光顺性要求不断对控制顶点进行调整和修改,使样条曲线在满足光顺要求的条件下,尽可能通过或贴合测量的数据点),把上文生成的五个.dat又件数据分别导人,生成五条封闭的样条曲线。在保证精度的条件下,应尽可能降低样条曲线的次数,这可使曲线更接近特征多边形,能够更好地控制样条曲线。

  本文使用了三发样条曲线,且五个截面生成的曲线次数相同。在五个截面线前(后)缘处,根据图样给定的圆心和半径数据分别做圆。根据所做的圆,调节样条出线前(后)缘处的控制顶点。使样条曲线在前(后)缘处尽量贴合所做的圆,这使样条曲线满足误差和光顺的要求,如图3所示。特别需耍注意的是在每个截面的前(后)缘曲率比较大的部位,可适当加密控制点来约束曲线变化。而在曲率比较小、叶身皿线比较平直的部位,只绘定较稀疏的均匀分布点即可(如图4)。调节截面线上的控制顶点,尽量使截面线的曲率均匀变化,修改后的五条截面线如图5所示。

/

/

/

  3 通过拟合出的截自线扫掠生成叶片实体

  选择“通过曲线(Through curves)“命令,选择拟合好的五条截面线,注意一定要使五条截面线的初始矢量趋势相同。如图6所示,否则生成的叶片表面会出现扭曲现象。在“Aligment”项中选择“By Points”方式,即在每个截面线上的相应位置取点,扫掠生成曲面时使这些点相对应,如图7所示。需要在前(后)缘部位取点,否则会在前(后)缘部位产生扭曲变形或不能生成一整张叶片曲面,这是笔者在实际工作中多次尝试所得出的经验。

/

/

  本文中截面线数据是通过测量方法得到,难免会产生误差,拟合成的曲面客易出现凹凸现象,这需要对产生凹凸现象区域的曲线上点进行调整,再重新拟合曲面,经过反复尝试最后得到光滑的叶片实体,如图8所示。

/

  四、创建轮毂并生成叶轮实体

  轮毂的创建较为简单,有两种方式可以选择,一种是直接进行三维建模,另一种是先创建草图再进行旋转。本文采用第二种方法,在草图方式下先创建截面线串,再利用旋转(RevolVe)命令对截面线串旋转,创建轮毂回转体,如图9所示。最后创建叶轮实体,如图10所示。

/

/

  五、结束语

  本文是基于uG NX的整体叶轮实体造型研究,详细论述了从叶片数据的获得和处理,截面线的生成和修改,至拟合成光滑的叶片实体的整个过程。同时,笔者总结了在叶轮造型过程中需要注意的些问题,完成了符合要求的叶轮造型,这为后续的数控加工提供了有力的保证。

投稿邮箱:cio114@foxmail.com