基于木模圖的水輪機(jī)葉片三維建模在鑄造中的應(yīng)用

■ 王猛，趙文博

木模圖作為傳統(tǒng)的水力設(shè)計(jì)成果的載體，目前仍在廣泛使用，我公司客戶提供的葉片圖樣資料依然大部分為木模圖。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)大量采用數(shù)字化模擬技術(shù)，在產(chǎn)品投產(chǎn)前即對生產(chǎn)結(jié)果通過數(shù)字化軟件進(jìn)行預(yù)測，從而達(dá)到減少不良品產(chǎn)生、優(yōu)化生產(chǎn)工藝的目的。新的形勢要求我們將葉片木模圖轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型。

本文將介紹UGS NX軟件對水輪機(jī)葉片木模圖的處理方法，此方法無需其他軟件，只用UGS NX軟件的特征創(chuàng)建工具即可將木模圖轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體。最后對三維實(shí)體添加鑄造工藝，通過Magmasoft模擬軟件對鑄件最終生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。

1. 木模圖

（1）木模圖介紹 水輪機(jī)葉片的木模圖包括等高截面線的平面視圖和軸面視圖。軸面視圖為葉片沿圓周方向的旋轉(zhuǎn)投影（R坐標(biāo)為距轉(zhuǎn)輪中心的距離；縱坐標(biāo)為Z軸坐標(biāo)）。等高截面線的平面視圖為葉片的截面線在X-Y面上的投影。

（2）木模圖的數(shù)字化 將每條截面線的定義點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)編輯成NX格式的“.dat”文本文件，以備UGS NX直接讀取。

編輯各截面線的數(shù)據(jù)文件，使其Z坐標(biāo)列的值為對應(yīng)的截面線對應(yīng)值。這樣當(dāng)NX讀取“.dat”文件時，生成的曲線即在對應(yīng)高程的平面上。

2. 將二維木模圖變?yōu)槿S木模圖

在NX建模環(huán)境中選擇“樣條”命令，選擇“通過點(diǎn)”，“文件中的點(diǎn)”來創(chuàng)建擬合樣條。讀取所有木模圖曲線數(shù)據(jù)后，可以創(chuàng)建以下非特征的曲線對象。

（1）截面線組（分別建立在各自的高程平面上）。

（2）4個尖點(diǎn)（分別由坐標(biāo)直接創(chuàng)建）。

（3）通過截面線端點(diǎn)與尖點(diǎn)創(chuàng)建擬合曲線。

導(dǎo)入木模圖數(shù)據(jù)后，葉片單面的數(shù)據(jù)曲線如圖1所示。

3. 創(chuàng)建曲面

插入“通過曲線網(wǎng)格”特征。截面線包括：進(jìn)水邊與上冠邊交點(diǎn)、等高截面線、出口邊與下環(huán)邊交點(diǎn)；交叉曲線包括：進(jìn)水邊及下環(huán)邊、上冠邊與出水邊。此時得到的曲面并不光滑，尖角處還可能會有褶皺存在，需要進(jìn)行再次重構(gòu)。

在“自由曲面形狀”中選擇“曲面上的曲線”，在上面生成的曲面上重構(gòu)光滑曲線，在重構(gòu)時選擇最高階次擬合來保證曲線光滑，如圖2a所示。

再次插入“通過曲線網(wǎng)格”特征。截面線包括：上冠邊、重構(gòu)生成的曲面上的曲線、下環(huán)邊；交叉曲線包括：進(jìn)水邊、出水邊。得到光滑曲面，如圖2b所示。

同理作出另一面，再將各邊界曲面由“通過曲線網(wǎng)格”特征做出，即可縫合成為葉片，再對葉片邊界進(jìn)行精細(xì)修剪即可。

4. 添加鑄造工藝

通過“偏置曲面”將葉片正背面片體按工藝加工量要求偏置，再作出邊界曲面，縫合成為實(shí)體。通過“移動面”給各個邊界添加加工量。最后添加冒口即可完成鑄造工藝的添加。

5. 模擬

將添加鑄造工藝后的實(shí)體導(dǎo)出為stl格式，在Magmasoft中創(chuàng)建新鑄鋼模擬項(xiàng)目，對該實(shí)體進(jìn)行凝固模擬及應(yīng)力模擬，查看Porosity判據(jù)及Displacement判據(jù)，如圖3所示。

通過Porosity判據(jù)判斷是否會有縮松產(chǎn)生，通過Displacement判據(jù)來判斷葉片的翹曲情況，最終對鑄造工藝做出調(diào)整。

圖1

圖2

圖3

6. 結(jié)語

通過對水輪機(jī)葉片進(jìn)行三維實(shí)體建模，Magamasoft軟件模擬達(dá)到對鑄造工藝進(jìn)行驗(yàn)證的目的。保證曲線擬合圓滑過渡，葉片邊界符合原圖是要點(diǎn)。

本文舉例的主要思路如下：

（1）通過木模圖創(chuàng)建“通過曲線網(wǎng)格”特征。

（2）通過“曲面上的曲線”重建平滑曲線，達(dá)到平滑曲面的目的。

（3）通過“偏置曲面”等添加工藝參數(shù)。

（4）最終通過Magmasoft驗(yàn)證鑄造工藝。