基于ProEWildfire的水泵叶轮精确建模

基于Pro/E Wildfire 的水泵叶轮精确建模

郭晓梅1，杨敏官2，施高萍1，王 骥3

(1.浙江水利水电专科学校，杭州 310028；2.江苏大学，江苏 镇江 212013；3.杭州创业软件公司，杭州 310028）

摘 要：基于传统的叶片加工方式，从现有的二维水力木模图的型值点出发，基于Pro/E Wildfire软件，

采用从点到线、从线到曲面、再从曲面到实体的方法，实现了泵叶轮空间扭曲叶片和圆柱形叶片的三维实体造型，利用制造模具的常用方法实现了泵叶轮和流道的造型，造型方法精确，为后续的流场数值模拟和数控加工奠定了基础。

关键词：机械工业；水泵叶轮；叶片；三维造型；Pro/E

中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1003—188X(2006)08—0084—03

0 引言

叶轮是水泵的关键过流部件，其制造质量直接影响到水泵性能的好坏以及机组的稳定性。为了获得性能优良的叶型，传统的方法是先根据模型换算法或速度系数法计算出流道、叶片截线及木模截线，然后根据图纸制成模型，并在试验台上反复试验，最终得出符合要求的叶片形状。整个过程费时、费力且成本高。为了解决这一问题，最有效的途径是对水泵叶轮叶片进行三维造型，并通过流场分析来初步得到叶轮内部的压力、速度等分布状况，做出初步的性能分析，从而为模型制造与生产节省成本和时间。Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。Pro/E还提供了实体模型和薄壁模型的有限元网格自动生成能力，也就是它自动地将实体模型划分成有限元素，以便有限元分析用，所有参数化应力和范围条件可直接在实体模型上指定，即允许设计者定义参数化载荷和边界条件，并自动生成四边形或三角形实体网格。载荷/边界条件与网格都直接与基础设计模型相关联，并能像设计时一样进行交互式修改。基于Pro/E的这些特点，本文提出了在Pro/E下进行空间扭曲叶片和圆柱形叶片、叶轮以及用于数值模拟流道的三维造型方法。

目前，以AutoCAD为平台的水泵水力设计软件在泵制造行业得到了广泛的应用，能够输出二维的叶片木模图，但无论是进行有限元分析还是流场分析或是数控加工，都需要提供完整的真正意义上的三维数据模型。为此，可以在现有的二维水力设计软件上得到叶片的木模截线的数据点，以这些数据点创建文件surf1.pts文件，从而在Pro/E下得到一系列点，然后由点连成线，再由线生成曲面，生成曲面后再通过一系列的合并与剪切得到实体。

目前，市场上出现了多种有关泵水力设计的软件，例如通过江苏大学流体机械研究所开发的水力设计CAD软件，可得到叶片木模图（如图1所示），并在此基础上或者在已有的二维叶片木模图的基础上进行三维造型。

间隔为12

工作面

No 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

a-a 45.8 86.1 87.7 90.0 93.3 97.6 103.4 110.7 119.5 129.7 141.3 154.4 169.2 186 205.0 1 75.1 82.5 89.7

2 64.7 72.4 80.4 88.4 96.5

3 55.1 63.3 71.7 80.4 89.4 98.7 108.4 118.6 129.6

4 54.6 63.5 72.8 82.5 92.7 103.2 114.3 126.2 139.1 153.3 168.0 185.9 5 65.5 75.8 86.7 98.1 110.0 122.7 136.5 151.5 167.8 185.6 205 6 93 105.7 119.3 133.8 149.8 166.9 185.3 205 b-b 45.8 49.3 53.7 58.9 65.2 72.8 81.7 92.2 104.2 117.7 132.4 148.7 166.3 185.0 205

1 叶片的三维造型

1.1 扭曲叶片的三维造型

收稿日期：2005-09-28

基金项目：浙江水利水电专科学校校基金科研项目(XK2006-8)作者简介：郭晓梅(1979-)，女，浙江东阳人，助教，硕士，

（E-mail）gxm@。

图1 叶片木模图

以叶片的工作面为例进行说明。从图1得到工作面的数据，创建surf1.pts文件如下： ! DATUM POINT ARRAY DATA FILE

! Comment lines should begin with an

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exclamation mark (!).

! You may have as many comment lines as you wish. ! There must be at least one space between values.

! Enter values with respect to datum arrays' coordinate system: !CYLINDRICAL coordinates: ! r theta Z

75.1 10.00 0.00 82.5 20.00 0.00 89.7 30.00 0.00

…… …… ……

其中，r和theta值与图1中叶片工作面上的各点相对应，而Z

值为各条等高线的高度，如假设第1条木模截线的Z值为0，则第2条木模截线的Z值在图1中所示为12mm，依次可得出第3~6条木模截线的各点的坐标。在Pro/E下采用柱面坐标导入此文件，则出现如图2所示的型值点。在Pro/E下使用curve命令，得到图3所示的在不同高度上的各条木模截线图。

进水边

背面

与后盖板

贴合面

面与背面相按拟合，然后用Boundary merge命令封闭工作面与背面之间的边界，最后得到的叶片实体结果如图5所示。

工作面

与前盖板贴合面

图4 叶片工作面曲面 图5 叶片形状

这种通过前后盖板来截取的方法得到的叶片，能够很好地保证叶片与前后盖板的完全贴合，保证其没有任何间隙存在。

目前，很多作法是通过工作面与前后盖板的交线直接采用boundary merge命令来生成曲面，而忽略了中间的其它截线。这种作法得到的曲面虽然很光滑，但不准确，因此不适用于数值模拟这些要求准确度较高的模型制造中。

1.2 圆柱形叶片的三维造型

圆柱形叶片相对扭曲叶片的三维造型来讲，就显得简单。图6为一圆柱形叶片的木模图。

图2 工作面空间位置点 图3 工作面上木模截线图

然后，应用blend混成的方法生成曲面。在应用blend命令混成时，要求输入每条截线间的距离，即高度差。为了使前盖板和后盖板能紧密贴合，在blend曲面时没有必要画出工作面与前后盖板的交线及背面与前后盖板的交线，因为可以采用前后盖板剪切的办法得到叶片工作面与前后盖板的交线及背面与前后盖板的交线，剪切完以后，在同一位置画出前后盖板实体，这样就完全保证了前后盖板与叶片的贴合关系，因此在这里只需要画出工作面中间的6条木模截线。在用blend混成的时候要求输入深度值(每条截线的距离)，为使前后盖板与混成的面能相交，在第一次输入截线1和截线2的深度值时，其值应为图1中所示的A，B之间的距离值；在最后一次要求输入截线5和截线6的深度值时，应输入图1示的C和D之间的距离值，其它为图1所示的两截线的实际距离值。因为只有这样才能保证叶片与前后盖板完全相交，从而可以使用剪切的命令得到叶片工作面曲面（如图4所示）。

其中，背面的作法与工作面的作法是一样的。在做好工作面、对面进行merge后，可把叶片工作

NO

型值表

1 1 0°10°30°40°50°60° 65.470.074.879.8852836 厚度 4.7 4.5 4.0

图6 圆柱形叶片木模图

在进行圆柱菜叶片的三维造型时，只需在Pro/E中输入叶片的工作面和叶片北面的点(如图6所示的型值表中的点)，然后进行拉伸即可。点的输入除了用上面所讲的扭曲叶片的点的输入方法以外，还可以用Pro/E工具条中的“偏移坐标系基准点工具”画各点。

1) 点击“偏移坐标系基准点工具”，在弹出的对话框中把“参照”改为坐标系，把“类型”改为的柱坐标；

2) 然后在R，θ，Z轴把木模图中数据依次输入， 举工作面的点为例，其结果如图7所示，叶片

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型线如图8所示。

做好叶片的三维实体模型以后，把前后盖板加上出口合成一个实体，然后用叶片剪切该实体，使得到流道的三维实体模型图，造型结果如图12所示。

图7 工作面上的点 图8 圆柱形叶片型线图

拉伸后得到的叶片如图9所示。然后，用木模图中的轴面投影图去截去叶片中的多余部分，得到叶片的实际造型，如图10所示。

图12 叶轮流道的实体模型

三维实体模型以IGS，STP格式保存，可以与Gambit，CFX等软件进行数据交换，为流场分析奠定了基础。

图9 拉伸后的叶片 图10 圆柱形叶片

4 结束语

叶轮流道的实体造型是进行流场数值模拟的基础。利用已有的叶片水力木模图的数据点，结合Pro/E软件实现了叶片、叶轮及流道的三维实体造型，缩短了在Pro/E中重新建模的时间，节省了生产试验成本，为数值模拟和数控加工奠定了基础。 参考文献：

[1] 杨方飞.水泵叶片三维造型原理与工程应用[J].农

业机械学报,2003,34(1):95-97.

[2] 杨方飞.离心泵叶轮叶片CAD/CAM系统集成[J].

2 叶轮的三维造型

在叶片造型的基础上，在Pro/E下根据尺寸的定位关系，通过旋转得到前后盖板，其最终的生成形状如图11所示。

(a) 未去掉前盖板 (b) 去掉前盖板

图11 叶轮的实体模型

农业机械学报,2002,33(6):80-82.

[3] 王福军.机械CAD中的通用3D自由曲面造型技术

[J].中国农业大学学报,1997,2(2):87-91. [4] 郭晓梅.污水泵CAD,三维造型及流场分析一体化

[D].镇江:江苏大学,2002.

[5] 刘炜巍.泵过流部件三维造型的应用[J].排灌机

械,2004,22(3):11-14.

3 流道三维造型

由于数值模拟所研究的对象是流道，因此有必要对流道进行实体造型。与叶轮造型不同的是，在

Accurate 3D Modeling of Impeller in Pumps Based on

Pro/E Wildfire Software

GUO Xiao-mei1，YANG Min-guan2，SHI Gao-ping1，WANG Ji3

(1.Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College, Hangzhou 310028, China; 2.Jiangsu University， Zhenjiang 212013, China; 3.Hangzhou B-software Company, Hangzhou 310028, China)

Abstract: Basing on the traditional machining method of the vane in pump, beginning from the known vanes data from the 2D hydraulic drawing, and the Pro/E software is applied. 3D modeling of the space twist vanes and 3D modeling of impellers and channels in pumps is gained. The method of beginning from point to curve, from curve to face, and from face to solid is adopted. The model method is accurate. It is significant for further studying and numerical control machining in the flow calculation through impellers. Key words: mechanical industry; pumps impellers; 3D modeling vane; Pro/E

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0694.html