基于SolidWorks開發水輪發電機組虛擬樣機

陳濤　郭海峰　孫廷昌　丘恩華　呂毅松

摘 要：分析了虛擬樣機技術的發展和相關技術，介紹了基于solidworks的虛擬樣機系統軟件集成，并給出了基于SolidWorks軟件的虛擬樣機設計方法和實例。

關鍵詞：虛擬樣機；SolidWorks；動態仿真；水輪發電機組

對于當前的水輪發電機來說，其屬于水力發電廠的重點核心，由于水輪機運行條件復雜、大量的零部件可能出現安全故障，并且在運行中振動、磨損等問題仍未得到優化完善，所以定期檢修是水力發電廠現階段的重點工作內容。每次檢修時，如何根據具體的設備運行情況進行方案制定，以降低檢修成本和縮短檢修周期等是水力發電廠當前面臨的主要問題。對于大型電站，水輪機的許多零部件被安裝在機坑里，使得檢修人員在進行檢查過程中，難以明確當前設備的內部實際情況，并影響其對內部空間位置的分析。

因此，水輪發電機組虛擬樣機的開發，對水電站的（檢修）技術進步和人才培養具有明顯的促進意義。

1 虛擬樣機技術介紹

虛擬樣機是針對于真實機械系統而言，在二十世紀八十年代，以計算機技術為基礎，發展的一項計算機輔助工程（CAE）技術。對一個機械系統在研究過程中，其主要的研究內容包括當前的動力學、靜力學以及運動學三種類型，而虛擬樣機是在計算機上建立機械系統三維精確模型，利用模型的優勢模擬在真實環境中進行機械系統的動力學與運動學分析。

SolidWorks機械設計自動化軟件是一個基于特征、參數化、實體建模的設計工具。在solidworks中，通過運動算例功能可以快速，簡潔地完成機構的仿真運動及動畫設計。運動算例可以模擬圖圖形的運動及裝配體中的部件直觀屬性，它可以實現裝配體運動的模擬、物理模擬。

2 水輪發電機組虛擬樣機構建流程分析

流程：實際上，當前的水輪發電機組虛擬樣機在進行建立過程中，主要是以當前的SolidWorks環境為主導思想，并以此為基礎，積極建立完善的三維實體模型，靈活通過虛擬裝配進行三維水輪發電機組模型建立，適當進行信息的約束，通過添加合理的材質，促使當前的虛擬樣機完成。具體流程為：開始→水輪發電機組裝配信息分析→建立三維精確模型庫→構建水輪發電機組裝配體→虛擬樣機

2.1 裝配體信息的分類

裝配體是具有以下2個特征關系的零部件的總稱：

（1）2個零件應該相互接觸；

（2）2個零部件之間具有一定的約束關系。

因此如果要具體完整的描述一個裝配體，需要以下信息：零件信息（零件本身的屬性信息）、裝配關系（零件相對位置以及方向的定位關系）信息、父、子層次關系（裝配體中各零部件的層次關系）信息。

實際上水輪發電機組受其自身的性質影響，可以分解為不相同層次的子裝配體及零件，其中的一個子裝配體又可以拆分為不相同的下一級子裝配體和多個零件，以此類推直到分解為1個1個的單個獨立零件體。

裝配體、子裝配體、零件之間的父、子層次關系可以1：1（結構1：1，尺寸1：1）的使用樹形的形式表現出來。一個裝配體樹的根節點是總裝配體，實際上是整體水輪發電機組，而每個中間節點就是各個子裝配體（各個部件，例如調速器以及發電機等），葉節點是完全物理性質上是獨立的單個零件）。從圖1中的裝配體樹的相對父、子關系可以直接、清楚的看到每個零件、裝配體見的相對關系，也可以更清晰的看到整個裝配體的組成過程以及組成結構。

2.2 建立三維精確模型庫

參照前面裝配體（父、子關系）關系分析的結論，建立三維模型，首先應該整理該樹形最底層機電設備零件相關基礎技術資料、結構圖紙、工藝標準、實務照片等，充分掌握設備零件的實際結構組成以及工作原理和相互關系后，然后根據實際的水輪發電機組的各機電設備零件的具體數據1：1對應的（尺寸、結構1：1）進行精細化建模開發，建模過程中應注意：

2.3 構建完善的水輪發電機組裝配體

構建水輪發電機組裝配體過程中，當其完成零部件的數字建模以及數字化數據庫后，根據當前實際的要求進行最終的模擬裝配，以實現最終的目的。例如，進行總體規劃，保證各個零件的安裝順序合理，靈活利用當前的VB編程進行控制，提升裝配效果。如圖3所示，其是當前大型水輪發電機組的一級裝配圖。

現階段SolidWorks在進行裝配過程中，在進行零件添加過程中應用的方法主要有兩種，一種是程序方法，另一種是手動方法，根據不同的需求進行選擇。受手動方法影響，其自身的自動化程度較低，而對于當前的程序方法來說，在應用過程中，主要是利用當前的零件文件，并運用API函數進行指定位置添加，滿足當前的需求。

SolidWorksAPI中，主要是利用當前的函數OpenDoc4（）進行零件文件打開，并根據實際的需求，靈活利用當前的assemblyDoc 對象的 AddComponent2（）函數進行零部件添加，例如，具體來說，AddComponent2（）函數的使用方法主要體現在以下方面：

LPDISPATCH modDisp =UserApp.>getSWApp（）.>GetActiveDoc（）；

IAssemblyDoc assembly（modDisp）；

assembly.AddComponent2（"C：＼＼＼＼sw＼＼＼＼轉輪.SLDPRT"，x，y，z）；

實際上，當前的AddComponent2（）函數只能指定加入當前的零件原點坐標系中的位置坐標，導致其應用具有一定的局限性，需要結合實際情況進行設置。

在整個機組的安裝過程中，裝配按樹形結構組織。以水輪機為例，其接力器、主軸和轉輪、導水機構和軸承裝配均為其第 1 級子裝配。第1級子裝配包括第2級子裝配和零件。以軸承裝配為例，包括油箱、 內油箱、冷卻器、軸承體和油箱蓋等零件及軸瓦裝配。而軸瓦裝配由軸瓦和軸承合金裝配而成，所以是第3級子裝配。合理的裝配順序確定后，在SOLIDWORKS中采用Inline節點將SOLIDWORKS文件按照相互關系裝配起來。系統中先將零件裝配成最低級別的子裝配，并利用 SOLIDWORKS文件中組節點Transform的坐標偏移量translation設定零件在適當的初始位置，完成整個裝配過程。

2.4 動態干涉檢查與裝配關系的完善

在現實世界中，兩個實體對象不可能實現空間共享，因此在進行虛擬環境建設中，為促使其更加真實，必然會應用當前的實體碰撞與實體檢測技術，以保證其滿足當前的要求。在進行技術檢測過程中，需要合理按照當前的檢測順序進行，如主要分為碰撞檢測、碰撞分析以及碰撞響應，合理對其進行判斷，并獲得準確的信息，輔助系統進行處理。

3 結語

為水電站發電運行與檢修的需求，規避現代水電站走上傳統水電站的新員工培訓方法是師帶徒的方式，在面對海量設備的內部結構、工作原理、檢修工藝、裝配工藝的崗位能力要求而研究的水輪發電機組虛擬樣機，方便圖紙的查閱和理解，保證工作人員在無法看到實物的情況借助本模型分析技術難點，通過智能化的裝配，促使員工直觀的了解水電站系統構成及運作方式。它能給水電站員工更與真實接近的體驗，為探索宏觀設備及微觀設備提供快捷的通道。

作者簡介：陳濤（1963.），男，重慶人，本科，高級工程師，研究方向：電力工程技術、電力虛擬仿真技術。