基于 CATIA的蝸殼三維模型和二維出圖模板研究

劉 超,樊菊平,鄧 瞻,王 明

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072;2.成都希盟泰克科技發展有限公司,四川 成都 610072)

1 前 言

蝸殼是水電站廠房中最常見也是最重要的構件之一,所有混流式機組均具有這個構件。蝸殼分混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種。混凝土蝸殼用于水頭小于 40m電站的水輪機上,一般為“”形斷面;而金屬蝸殼應用范圍遠比混凝土蝸殼要廣泛得多,其斷面為單心圓或三心圓。本文主要研究鋼蝸殼的三維模型模板。

蝸殼沿水流方向分為兩大部位:直錐段和漸變段(見圖1)。直錐段的變化規律為沿直線方向上的橫截面尺寸漸變,每個控制性截面都是相互平行且形狀相似;而漸變段的變化規律為沿環向方向上的橫截面尺寸逐漸變小,每個橫截面所在平面均通過同一圓心,一般控制斷面有 20～30個左右。

根據上述蝸殼結構特征,本文介紹如何利用CATIAV 5R 19SP6軟件的參數化設計特性以最簡捷的方法建立通用且便于更新的鋼蝸殼三維模板。

圖1 蝸殼

2 設計流程

鑒于所有蝸殼實體的漸變形式均為先是沿直線方向,然后再是環形方向,不同的是橫截面尺寸和在平面上偏移的角度不一樣而已。針對以上特性,以操作最簡、最適用和便于修改的設計原則來建立蝸殼三維模板 UDF(用戶自定義模板)。將直錐段和漸變段分別做成獨立的單截面 UDF模板。

2.1 蝸殼直錐段 UDF的建立

(1)在 Generative Shape Design模塊中新建一個零件,命名為 Spiralcase(ZZD)_UDF.catpart,在該零件結構樹中依次新建三個幾何集,命名為“Input”、“Output”和“Plane”,分別放置零件的輸入、輸出和平面信息。考慮到蝸殼橫截面圓半徑最多為兩種,即左右各一種,所以在做參數集時就用最大個數來控制。點擊工具條 “Know ledge”中 “Formula”圖標,建立蝸殼直錐段橫截面的有關參數,如蝸殼小半徑 r、大半徑 R、圓心距離中心點距離 Rm、橫截面與 X軸線距離 Y、斷面序號和指定參數對應 excel表格的序數 XH,共 6個參數(見圖2、3)。

(2)定義“Plane”為當前工作對象,作一個與XZ平面平行的平面 plane,該平面即是蝸殼直錐段控制性斷面所在平面。基于該平面作一個三心圓草圖,并且將圓的幾何數據參數化,接下來將幾何數上的這些蝸殼截面的參數轉成 excel表格。打開這個表格添加剩下的其它截面數據(見表1)。

圖2 蝸殼直錐段參數

圖3 蝸殼直錐段橫截面

圖4 蝸殼直錐段 UDF輸入、輸出信息

圖5 蝸殼直錐段UDF輸出效果

表1 蝸殼直錐段 excel參數

(3)定制模板 -UDF,點擊下拉菜單 InsertKnow ledgeTemplatesUserFeatures,選中結構樹中的所有元素,調整參數位置達到輸出條件為單線圖截面,輸入條件為 xz plane,yz plane,xy plane通用性最強的這三個平面(見圖4),輸出效果見圖5。

2.2 蝸殼漸變段 UDF的建立

圖6 蝸殼漸變段參數

(1)在 Generative Shape Design模塊中新建一個零件,命名為 Spiralcase(JBD)_UDF.catpart,在該零件中新建三個幾何集命名為“Input”、“Output”和“Plane”分別放置零件的輸入、輸出和平面信息。點擊工具條 “Know ledge”中 “formula”圖標,建立蝸殼直錐段橫截面的有關參數,如蝸殼小半徑 r、大半徑 R、圓心距離中心點距離 Rm、橫截面所在平面與XZ平面夾角 a、直邊到坐標原點距離 Rm、斷面序號和指定參數對應 excel表格的序數 XH,共 7個參數(見圖6)。

(2)新建一個基于 XY平面的線段草圖,線段的長度為蝸殼截面通過圓心法線與坐標系圓心的距離,線段夾角為蝸殼橫截面與 +X方向線的夾角,該線段即為蝸殼橫截面的輻線(見圖7)。

(3)作一個以輻線端點為圓心、輻線方向為 +X方向的坐標系(見圖8)。

圖7 蝸殼漸變段橫截面輻線

圖8 蝸殼漸變段坐標系

圖9 蝸殼漸變段橫截面

圖10 蝸殼漸變段 UDF輸入輸出信息

圖11 蝸殼漸變段UDF輸出效果

表2 蝸殼漸變段橫截面參數 excel表

(4)基于蝸殼漸變段坐標系中的 XZ平面作一個三心圓草圖,并且將圓的幾何數據參數化(見圖9)。接下來將幾何數上的這些蝸殼橫截面的參數轉成 excel表格,打開這個表格添加剩下的其它橫截面數據(見表2)。

(5)定制模板 -UDF,點擊下拉菜單 InsertKnow ledge TemplatesUser Features,選中結構樹中的所有元素,調整參數位置達到輸出條件為單線圖截面,輸入條件為 xz plane、yz plane、xy plane通用性最強的這三個平面(見圖10)。

至此,蝸殼三維模型的圓形橫截面 UDF模板就做好了(見圖11)。

2.3 蝸殼直錐段與漸變段 UDF模板的調用

針對不同的廠家,蝸殼截面尺寸及個數均是各不相同的,為了能快速方便地引用 UDF模板,用 VB編寫一宏命令,命名為“Instance_UDF”,它可以通過蝸殼單線圖參數數據表中蝸殼單截面的個數來自動判斷引用蝸殼 UDF模板的次數,即蝸殼控制斷面的個數(見圖12)。

下面調用已建好的蝸殼單線圖截面 UDF模板來快速建立三維蝸殼模型。新建一個命名為“A 000SG SpiralCase.catpart”的零件文件,并且在結構樹上新增如下 7個幾何集:“直錐段”、“漸變段”、“實體”、“曲面 ”、“曲線 ”、“Plane”和 “Sketch”以作備用(見圖13)。

依次定義“直錐段”、“漸變段”為當前工作狀態,分別啟動宏命令來引用剛建立的 Spiralcase(ZZD)_UDF.catpart和Spiralcase(JBD)_UDF.catpart兩個 UDF模板,系統可以根據蝸殼直錐段excel參數表和蝸殼漸變段 excel參數表自動依次輸出蝸殼直錐段和漸變段的橫截面,其效果見圖14。

2.4 實現蝸殼的三維模型

為了方便地獲取蝸殼的體積、面積、形心、質量等幾何參數,再定義“實體”為當前工作對象,在里面做多截面拉伸等實體工作,得到三維實體效果(見圖15)。當然也可以在這個三維實體上方便地做出一個曲面來模擬蝸殼的彈性墊層。這樣可直觀而方便地查看墊層布置范圍及其效果,避免了二維平面設計中的困難和盲區。

圖12 蝸殼橫截面 UDF自動引用的宏命令

圖13 蝸殼 3D模型結構樹

2.5 二維出圖

利用 CATIA二維圖模塊“Drafting”出二維圖。通過 CATIA二維圖模塊及其二次開發的插件可方便地從三維蝸殼實體得到平面圖、剖面圖及蝸殼單線斷面數據表(見圖16)。因為目前 CATIA的二維標注模塊較AutoCAD相比有許多不便之處,筆者建議先在 CATIA中完成平面和剖面的輪廓示圖。

圖14 引用蝸殼橫截面 UDF后的 3D模型

圖15 蝸殼 3D模型

圖16 CATIA繪圖模塊中直接得到的蝸殼單線圖

值得一提的是,當我們需要新的廠家蝸殼三維模型及其表面積、體積等數據時,只需把已建好的零件(“A 000SG SpiralCase”)背后支持的 excel表格數據作出調整,那么該三維模型及與之關聯的二維圖即會作出相應的更新(見表3)。

表3 三家蝸殼 3D模型及其關聯的 excel表

3 結束語

通過對蝸殼三維結構分析,建立典型橫斷面UDF模板,應用宏命令直接快速地讀入 UDF模板后自動生成蝸殼三維橫斷面模型,再通過簡單的“多截面拉伸”命令得到蝸殼三維實體模型。模型一經建立,每次建?；蛐薷哪Ｐ蜁r僅需調用 excel參數表修改數據,則自動形成所需的蝸殼模型,大大節約了原來手工建立三維模型及修改模型的時間。

利用 CATIA參數化設計特性及宏命令建立蝸殼三維模板,方便快捷,且使用性強,與常規三維實體建模相比,明顯具有以下優點:

(1)可以方便地提取實體模型的表面積、體積等幾何參數,同時也很方便地為進一步的結構設計提供設計平臺,如蝸殼彈性墊層設計、應力應變分析等。

(2)需要更新模型時,只需要更新該模型支持的 excel表格中的數據即可。

(3)基于該三維模型生成的二維圖形也相應調整,只需要稍作加工整理便可出圖。