基于補(bǔ)面法和UG的離心泵蝸殼三維模型設(shè)計(jì)研究

余鴻剛, 王正初, 盧圣毆, 倪晨超

（臺(tái)州學(xué)院 航空工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州318000）

0 引言

離心泵蝸殼又稱離心泵螺旋壓水室，是離心泵將流經(jīng)葉片的流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能的過(guò)流部件，其主要工作方式為收集離心泵葉輪所流出的液體，并輸送到排出口或下一級(jí)葉輪吸入口[1]。離心泵蝸殼的形狀參數(shù)決定了流體能量的損失大小，直接影響了離心泵的工作性能[2]。隔舌是將蝸殼螺旋段和擴(kuò)散段隔開(kāi)的部位，對(duì)蝸殼的加工制造及整個(gè)流道數(shù)值的仿真模擬起著關(guān)鍵性作用[3]。利用UG軟件創(chuàng)建由參數(shù)驅(qū)動(dòng)的蝸殼的三維模型，能夠高質(zhì)量、高精準(zhǔn)地體現(xiàn)蝸殼的三維參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬奠定良好基礎(chǔ)。

已有不少文獻(xiàn)都介紹到了蝸殼的三維造型方法和過(guò)程，但是都存在一定的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]中主要講解蝸殼工程圖及各個(gè)斷面的對(duì)應(yīng)于UG中螺旋段的造型過(guò)程，但其隔舌的繪制描述比較簡(jiǎn)略，結(jié)果也不夠精準(zhǔn)，并且其在UG中每各斷面都要進(jìn)行建立平面后繪制，比較費(fèi)時(shí)。文獻(xiàn)[5]重點(diǎn)體現(xiàn)了蝸殼由二維繪制成三維模型的過(guò)程及蝸殼的過(guò)渡段的準(zhǔn)確度對(duì)其參數(shù)化的重要性，但過(guò)渡段的建模方法具有一定局限性。文獻(xiàn)[6]提到利用片體縫合的方法繪制隔舌，結(jié)合布爾計(jì)算繪制的蝸殼相對(duì)比較精準(zhǔn)，但具體步驟并不完整，沒(méi)能完整地將片體的生成方式體現(xiàn)出來(lái)，且該方法對(duì)蝸殼的形狀有一定要求，存在局限性。本論文提出的基于補(bǔ)面法和UG的離心泵蝸殼三維模型設(shè)計(jì)方法較好地解決了上述的問(wèn)題。

1 工程實(shí)例

以1個(gè)一級(jí)單級(jí)離心泵蝸殼為例（如圖1），將蝸殼分為螺旋段（1～8斷面），擴(kuò)散段（9～10斷面）和過(guò)渡部分及隔舌，基圓直徑為170 mm，蝸殼進(jìn)口寬度為12 mm，隔舌安放角約30°，出口直徑為40 mm，擴(kuò)散段長(zhǎng)為93 mm。現(xiàn)分步進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)。

圖1 蝸殼各斷面示意圖

2 基于UG的離心泵蝸殼模型設(shè)計(jì)方法

2.1 蝸殼的工程圖的預(yù)處理

1）對(duì)圖1中斷面調(diào)用“平移”（“”為引用CAXA命令），將各個(gè)完成縮放至1:1的斷面移動(dòng)到蝸殼輪廓線對(duì)應(yīng)位置，并將每個(gè)斷面補(bǔ)全成封閉圖形，如圖2所示。最后將整個(gè)圖形的中心移至CAXA繪圖中心方便導(dǎo)入U(xiǎn)G。

2）在所導(dǎo)入的二維工程圖（如圖2）的基礎(chǔ)上，調(diào)用“移動(dòng)對(duì)象”中的“角度”（“”為引用UG中的命令，下同）將所有斷面旋轉(zhuǎn)至垂直于基圓所在平面，如圖3所示。

3）調(diào)用“移動(dòng)對(duì)象”中的“將軸與矢量對(duì)齊”將所有斷面準(zhǔn)確定位到其三維空間位置上，如圖4所示。

4）刪去多余的軸線，完成預(yù)處理，如圖5所示。

圖2 CAXA中的蝸殼斷面處理圖

圖4 UG中的蝸殼斷面處理圖b

圖5 UG蝸殼斷面處理圖c

2.2 蝸殼三維設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)

蝸殼螺旋段、擴(kuò)散段輪廓線均是圓滑的曲線，各斷面輪廓線為倒圓角的梯形，擴(kuò)散段由第8斷面至蝸殼出口，由類橢圓的樣條曲線光滑過(guò)渡為圓。隔舌為螺旋段與擴(kuò)散段圓滑過(guò)渡位置，其形狀應(yīng)同蝸殼輪廓線相適應(yīng)。為準(zhǔn)確表達(dá)模型特征，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)蝸殼螺旋段和擴(kuò)散段采用“掃略”進(jìn)行建模；對(duì)于隔舌，采用UG曲面建模。以下對(duì)上述兩種操作進(jìn)行描述。

2.2.1 掃略

首先進(jìn)行螺旋段建模，調(diào)用“掃略”，截面線選擇1～8各個(gè)斷面（截面線的起始點(diǎn)和方向需要一致），引導(dǎo)線選擇蝸殼基圓，同時(shí)注意方向。因各個(gè)斷面在二維圖樣上補(bǔ)全方法是由對(duì)稱得出，因此有著對(duì)稱的點(diǎn)，界面選項(xiàng)差值可以選擇“混合”，對(duì)齊選擇“根據(jù)點(diǎn)”，繪制出螺旋段三維模型。

擴(kuò)散段依舊采取“掃略”的手法，引導(dǎo)線選擇蝸殼出口輪廓線。為保證選擇界面曲線時(shí)的起始點(diǎn)和方向相同，在9～10斷面及蝸殼出口截面在同一位置（最好在對(duì)稱軸處）進(jìn)行打斷，再進(jìn)行建模，如圖6所示。

2.2.2 以補(bǔ)面法進(jìn)行隔舌的建模

1）建立平面1，該平面與基圓所在平面的距離是蝸殼進(jìn)口寬度的1/2，在平面上繪制基圓的投影弧線，如圖7所示。

2）在 第9 斷面添加平面2，在上面繪制輔助線（按實(shí)際需求以及經(jīng)驗(yàn)選取適當(dāng)長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度應(yīng)略長(zhǎng)于蝸殼進(jìn)口寬度），如圖8所示。

3）調(diào)用“掃略”構(gòu)建8斷面和9斷面上部分的片體，如圖9所示。

4）調(diào)用“通過(guò)曲線組”構(gòu)建小片體（如圖10）后鏡像使之對(duì)稱。

5）在基圓所在平面用藝術(shù)樣條以適當(dāng)偏置量勾勒隔舌（如圖11），拉伸內(nèi)側(cè)的藝術(shù)樣條成工具片體（圖12）。

6）利用工具片體修剪小片體，如圖13所示。

7）在隔舌與蝸殼基圓相交處創(chuàng)建一個(gè)新的小斷面（如圖14）與第1斷面進(jìn)行“掃略”（如圖15）（小斷面的形狀需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)比第1斷面的形狀來(lái)進(jìn)行繪制）。

8）補(bǔ)全過(guò)渡段的所有面：a.調(diào)用“有界平面”構(gòu)建第8斷面和第9斷面上部分的片體（如圖16）；b.調(diào)用“通過(guò)曲線組”構(gòu)建下半部分片體（如圖17）、（如圖18）；c.將過(guò)渡段所有片體進(jìn)行“縫合”完成實(shí)體建模，如圖19所示。

圖6 蝸殼螺旋段及擴(kuò)散段的掃略建模

圖7 平面1

圖8 第9斷面輔助線（平面2）

圖9 8-9斷面間上部分片體

圖10 通過(guò)曲線組構(gòu)建小片體

圖11 隔舌勾勒?qǐng)D

圖12 裁剪的工具片體

圖13 修剪后的小片體

圖14 小斷面

圖15 第1斷面與小斷面的掃略建模

圖16 第8、第9斷面的有界平面

圖18 8-9斷面下半部分片體b

圖19 片體縫合為實(shí)體圖

圖20 第9斷面下部分和小斷面的掃略建模

圖21 蝸殼實(shí)體圖

圖22 蝸殼剖面圖

9）對(duì)第9斷面下部分和自行創(chuàng)立小斷面進(jìn)行“掃略”，如圖20所示。

2.3 合并所有實(shí)體得到完整的蝸殼三維模型

最后將以上補(bǔ)面法得到的過(guò)渡段及蝸殼的螺旋段和擴(kuò)散段進(jìn)行布爾計(jì)算（合并），得到的蝸殼，由其剖面圖可看出是個(gè)完整的實(shí)體，且在隔舌處體現(xiàn)出了光滑過(guò)渡的特征，如圖21、圖22所示。

3 結(jié)論

本文介紹的基于UG的離心泵三維模型設(shè)計(jì)，采用“掃略”、“通過(guò)曲線組”、“縫合片體”等曲面建模方法，使得蝸殼的實(shí)體模型完整且準(zhǔn)確。關(guān)鍵的隔舌按照工程圖及實(shí)際工程需求來(lái)進(jìn)行繪制，所采取的補(bǔ)面思維在其他領(lǐng)域也較為常見(jiàn)，操作清晰明了并符合蝸殼過(guò)渡段能圓滑過(guò)渡螺旋段和擴(kuò)散段的要求。同時(shí)在三維建模前進(jìn)行的預(yù)處理，省去了每個(gè)斷面都要建立平面并繪制的步驟，縮短了建模時(shí)間，提高了模型設(shè)計(jì)的質(zhì)量，對(duì)蝸殼以及其他三維模型設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。