艦船柴油機(jī)排氣波紋管的可視化設(shè)計(jì)

黃振亮，濮懷宇

（海軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部，武漢430033）

對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力的水面艦艇而言，排氣波紋管可有效補(bǔ)償廢氣渦輪排氣口與固定在艦體上的排氣管接口之間的相對(duì)位移；消除由這個(gè)相對(duì)位移引發(fā)的對(duì)廢氣渦輪殼體和支架的附加作用力，同時(shí)切斷柴油機(jī)和艦體之間傳遞結(jié)構(gòu)噪聲和沖擊的通道［1］。

由于艦船機(jī)艙空間狹小，有必要對(duì)排氣波紋管的布置進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減小布置空間。

現(xiàn)今的波紋管波形大都采用“Ω”或“U”形，而對(duì)于同一類形的波紋管，所不同的是單波的尺寸、波數(shù)以及波紋管與兩端法蘭過(guò)渡段長(zhǎng)度，所以可以事先構(gòu)造每種類型的單波波紋管，然后利用零件的三維參數(shù)化特征造型技術(shù)，生成波紋管立體造型［2-3］。

1 軟件介紹

ActiveX Automation是微軟公司的一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以前被稱為OLE（對(duì)象鏈接和嵌入），其宗旨是在Windows操作系統(tǒng)中把多個(gè)應(yīng)用程序組織起來(lái)，互相溝通和控制［4］。

微軟的VB是Windows操作系統(tǒng)下最常用的支持ActiveX Automation技術(shù)的開(kāi)發(fā)工具，其語(yǔ)法簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，提供了可執(zhí)行代碼的源代碼編譯器。

用VB調(diào)用CAD軟件實(shí)際上，是VB將CAD軟件理解為一個(gè)服務(wù)器程序（Server），而二次開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用程序是客戶程序（Client），用戶只要在客戶程序上進(jìn)行操作，客戶程序?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)CAD軟件完成相關(guān)的工作，客戶機(jī)與服務(wù)器之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 客戶機(jī)與服務(wù)器之間的關(guān)系

2 零件的三維參數(shù)化特征造型技術(shù)

所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)是指模型的尺寸用對(duì)應(yīng)關(guān)系表示，而不需要確定具體數(shù)值。改變一個(gè)參數(shù)值，將自動(dòng)改變所有與它相關(guān)的尺寸，并遵循設(shè)定的約束條件。約束包括尺寸約束、拓?fù)浼s束和工程約束，這些約束反映了設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的參數(shù)與這些約束保持一定的關(guān)系，初始設(shè)計(jì)的形狀自然要滿足這些約束，而當(dāng)輸入?yún)?shù)的新值時(shí)，將保持這些約束關(guān)系并獲得一個(gè)新的幾何模型［5］。圖2所示為平面圖形利用尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，其中圖a）和圖b）為驅(qū)動(dòng)前后的情況，修改前后拓?fù)潢P(guān)系不變。

特征造型是指以實(shí)體模型為基礎(chǔ)，用具有一定設(shè)計(jì)或加工功能的特征作為造型的基本單元來(lái)建立零部件的幾何模型。將參數(shù)化造型的思想用到特征造型中，用尺寸驅(qū)動(dòng)或變量設(shè)計(jì)的方法定義特征并進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)的操作，這樣就形成了參數(shù)化特征造型。由于特征均采用參數(shù)化定義，因此對(duì)形狀、尺寸、公差、表面粗糙度等均可隨時(shí)修改，最終達(dá)到修改零件的目的。

圖2 圖形的尺寸驅(qū)動(dòng)示意圖

3 排氣波紋管設(shè)計(jì)

在波紋管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在艦船遭受強(qiáng)烈沖擊、大風(fēng)浪和柴油機(jī)工作這三種狀態(tài)下引起的單向位移幅值進(jìn)行校驗(yàn)，在這三種情況下，波紋管兩端單向位移幅值應(yīng)當(dāng)是廢氣渦輪排氣口單向位移幅值和排氣接管因溫差引起的單向位移幅值之和。

由于艦船機(jī)艙空間狹小，有必要對(duì)波紋管的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以盡可能減少所需要的布置空間。規(guī)定艦船首尾方向?yàn)閤，左右方向?yàn)閥，上下方向?yàn)閦。設(shè)波紋管兩端相對(duì)位移的單向幅值在x、y、z上的分量為Ax，Ay，Az。令排氣管的軸線方向與xy、xz、yz3個(gè)平面的夾角分別為ρ，φ，θ。則有：

圖3為排氣波紋管的設(shè)計(jì)VB界面。通過(guò)填入各參數(shù)，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出波紋管的波數(shù)和經(jīng)優(yōu)化布置了的波紋管軸線方向與xy、xz、yz3個(gè)平面的夾角。點(diǎn)擊“成圖”按鈕，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)三維造型軟件，生成波紋管，并按與3個(gè)平面的夾角進(jìn)行布置。

4 排氣波紋管的立體成圖

下面是利用VB和CAD軟件的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，對(duì)波紋管進(jìn)行三維造型以及布置操作的VB偽代碼（限于篇幅，這里著重講述波紋管三維參數(shù)化特征造型的陣列布爾操作和對(duì)波紋管進(jìn)行布置約束的偽代碼）：

圖3 排氣波紋管設(shè)計(jì)對(duì)話框

1）將VB和CAD軟件鏈接，打開(kāi)CAD軟件；

2）將單波U型波紋管添加到CAD軟件畫圖區(qū)；

Set partDocument1＝documents1.Open（“

Ripple Tube of U-shape.CADPart”）

3）將U型波紋管的尺寸更改為設(shè)計(jì)尺寸；

4）沿z軸方向，對(duì)單波U型波紋管進(jìn)行陣列布爾運(yùn)算，并將陣列個(gè)數(shù)設(shè)置為計(jì)算波數(shù)N，將陣列間距設(shè)置為波距l(xiāng)ength；

Set rectPattern1＝shapeFactory1.AddNew

RectPattern（z軸方向）

rectPattern1.InstancesCount.Value＝N

rectPattern1.Spacing.Value＝length

5）根據(jù)軸線與3個(gè)方向的夾角，定義兩點(diǎn)，并由兩點(diǎn)做波紋管布置參考直線；

Set ShapePointCoord1＝AddNewPointCoord

Set ShapePointCoord2＝AddNewPointCo

ord（0，0，0）

Set ShapeLinePtPt1＝AddNewLinePtPt

（ShapePointCoord1，ShapePointCoord2）

6）對(duì)波紋管的軸線和布置參考直線進(jìn)行共軸約束；

Set constraint1＝constraints1.AddBiEltCst

（cadCstTypeOn，ShapeLinePtPt1，Product／

ripple pipe of U-shape／！Axis：）

設(shè)計(jì)好的波紋管立體布置見(jiàn)圖4。

圖4 波紋管立體布置圖

5 結(jié)論

1）通過(guò)VB的ActiveX Automation技術(shù)調(diào)用工程庫(kù)文件，對(duì)CAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用CAD軟件的參數(shù)造型技術(shù)構(gòu)造波紋管立體圖形，并根據(jù)在VB中的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)波紋管進(jìn)行了優(yōu)化布置，發(fā)揮了VB和CAD軟件各自的優(yōu)勢(shì)，是一次有意義的嘗試；

2）三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，使得排氣波紋管在設(shè)計(jì)過(guò)程中，更為方便快捷和直觀，并為下一步利用三維CAD軟件對(duì)機(jī)艙進(jìn)行優(yōu)化布置奠定了基礎(chǔ)。

［1］陳國(guó)鈞，曾凡明.現(xiàn)代輪機(jī)工程［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2001：300-307.

［2］王賢坤，陳淑梅，陳 亮.機(jī)械CAD／CAM技術(shù)、應(yīng)用與開(kāi)發(fā)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：8-36.

［3］袁利國(guó).艦船推進(jìn)軸系可視化設(shè)計(jì)研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2005：66-72.

［4］盧 軍.基于ActiveX Automation對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的技術(shù)［J］.模具工業(yè)，2000（4）：6-8.

［5］Osman T A，Abdel-Aal U M，Elkenany A H，et al.Development of intelligent CAD for the design of mechanical systems［J］.Journal of Engineering and Applied Science，2001，48（10）：937-953.