Solidworks三維建模——軸流泵葉輪葉片

2013-07-12 by:廣州有限元培訓實踐中心來源:仿真在線

1 引言

在葉輪機械的水力設計中,為了設計出性能優良的泵,目前的發展是采用正反問題相互迭代的方法,根據初步設計的泵,進行三維湍流計算,根據計算結果,修正某些幾何邊界,再進行流動計算,采用人機對話,反復迭代,會得到性能優良,即高效率,并滿足空化條件及其它要求的泵。近幾年來,隨著計算機計算能力和流體計算動力學的迅速發展,尤其是三維流動分析的使用,三維數值模擬應用越來越廣。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計和加工中,葉片的表面是由翼型的型值點給定的。用半徑為:和r十dr的兩個無限接近且與葉輪軸同軸的圓柱面截取一個微小圓柱層,取出并沿其母線切開展為平面,葉片被圓柱面截割,其截面在平面上展開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計軸流泵葉輪時,得到在平面上給定的型值點,如果把各型值點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。經分析可知,如果能得到半徑r處的截面,問題就解決了。如何由翼型型值點得到半徑r處的截面呢尸根據Solidworks的建模功能,研究了如下的方法:先由翼型型值點找到對應的截面在翼型展開面上的投影點,把各投影點擬合為投影曲線,然后通過一些命令就可得到軸流泵葉輪葉片的截面。其中最關鍵的是找出型值點與投影點的對應關系。下面對型值點與投影點的對應關系進行分析推導。

如果用半徑為r和r+dr兩個無限接近且與葉輪軸同軸的圓柱面去截葉輪葉片。然后用一個垂直于軸向的平面去截這個葉片截面,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,軸向方向為由紙面外指向里,A點是截面一輪廓點,AC的長為A點到投影方向S的距離,長度為N, AB弧長為M, B為AB弧長所對的圓心角,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)

根據公式(3)就可得出型值點與投影點的關系。圖3中P為圖2中的投影平面,T軸為葉輪軸線的投影,A1,點是A點的投影點,A2點是A點的展開點,即A點的型值點,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點在P平面上的投影,按照以上原理,用多個垂直于軸向的平面去截葉片截面就可得到一個葉片截面在投影面P上的一系列點。

在用Solidworks建模時,把投影平面P作為一個草圖繪制平面,根據所給的型值點數據,把各型值點擬合為型值曲線,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)算出對應投影點到葉輪軸線到尸平面上的投影軸的距離N,根據此距離即可得到投影點,然后把各投影點通過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例
軸流泵葉輪葉片是特殊的曲面零件,在建模時,一方面要考慮到葉片冀型分散的型值點,另一方面也要考慮需要滿足的精度。在設計、加工和用仿真軟件進行仿真時,才能得到比較理想的結果。

這里應用Solidworks的三維建模功能,以一具體實例,進一步說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轉化為對應的投影點,由投影點擬合為投影曲線,再通過曲面剪切、曲面放樣、曲面縫合、曲面加厚度、旋轉陣列得到葉輪葉片。

軸流泵葉輪的具體參數為:葉輪直徑D = 300mm,輪毅比dh/D=0.45,轂徑dh=135mm,葉片數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,ymax表示翼型的最大厚度,β表示翼型安放角。

根據數據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:根據各截面翼型型值點建立各截面曲面:

(1)在前視面畫草圖拉伸一個直徑D=0.135m足夠長的圓柱面;

(2)把上視面偏置一定距離建立一個基準平面,在此基準平面上畫草圖標出直徑D=0.135m的各型值點:通過樣條曲線命令把各型值點擬合為型值曲線,由公式(3)求出各型值點對應的投影點,把各投影點通過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平面上的投影軸,M為型值曲線上某一型值點到投影軸的距離,N為對應投影點到投影軸的距離,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處單個叫片截面所示。

(4)按同樣的方法就可得到其它切面處單個葉片截面。