毕业设计（论文）-基于UG的风机叶片建模实现流程.docx

目录1引言11.1研究背景及意义21.2国内外研究现状及发展趋势31.2.1国内外研究现状31.2.2发展趋势52基本概念及原理52.1翼型结构基本概念52.2翼型空气动力学相关概念72.3风机叶片的特征分析92.3.1叶片受力分析92.3.2几何尺寸优化设计103叶片参数化建模的ug实现103.1ugnx 7.0简介103.2实现方法113.2.1草图功能113.2.2关联性123.2.3用户自定义特征133.3参数化特征建模133.3.1叶片坐标数据133.3.2绘制边界曲线153.3.3绘制各截面曲线163.3.4创建叶片曲面193.3.5叶片延伸203.3.6创建叶片实体214结论23参 考 文 献24致谢25附录1 相关英文文献26附录2 英文文献译文33摘要随着非可再生能源的过度消耗，风能、生物能等多种可再生资源日益被重视。风力发电是目前利用风能的主要形式，在多种可再生能源利用技术中比较成熟。叶片是风机的关键部件，通常采用分段截面拟合进行叶片体建模，在ug平台上对风机叶片进行参数化建模，采用叶片数据对叶片的截面进行参数化设计，应用ug图形的变换功能，确定各个截面的空间位置，并在ug曲面造型模块中生成叶片的实体模型。完成叶片实体建模后，对叶片气动性能，叶片的刚度，强度和使用寿命等性能分析奠定了强有力的基础，为风机叶片的深层次研究打下基础。关键词：叶片；ug；建模abstractwith the excessive consumption of non-renewable energy, wind energy, biomass energy and other renewable resources is gaining increasing attention. wind power is currently the main form of wind energy utilization in a variety of renewable energy use of mature technology. the blades is an important part of ventilator. it is fitted with blades body by subsection. the method is for parametric modeling of ventilator blades in the ug platform. this paper shows section of blade design parameters by controlling thickness of the blade. author uses ug graphics transformation function to determine the spatial location of each section. it generated solid model of the ventilator blades through the curve group based on ug surface modeling capabilities, this may lay the foundation for modeling of the series ventilator.key words：blade;ug;modeling基于ug的风机叶片建模1引言风力发电是当今可再生资源发电技术中最成熟，最具有大规模开发条件和商业化前景的发展方式。风力发电在我国已经成为继水电之后最重要的可再生能源，是近期发展的重点。风能资源由于具有可再生和无污染的特点，而越来越受到电力行业高度的重视1。叶片作为通风机的关键部件，在叶轮旋转时，叶片受到离心力和气流流动引起的压力，叶片是风机主要受力部件，必须保证其可靠性。这就要求设计者应用先进的参数化建模方法解决传统设计方无法解决的问题，如叶片有限元力分析、气动性能、叶片力学特性等。叶片的三维建模需要建立不同空间位置的截面，这些截面的尺寸约束相同，参数化建模的最大优点是系统可以将尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在以后建模中修改相关的尺寸得到新的图形。当前，以cad/cae/cam等计算机辅助工程技术发展为主线的先进制造技术，随着网络技术和电子计算机技术的普及，正在进一步向自动化、柔性化、集成方向发展2，制造业的工业产品设计和制造正从一个串行的流程逐步向并行的工程过渡，计算机辅助工程技术领域每一项新技术的应用，都会给产品生产提供更为先进的有效手段，同时潜移默化地改变着传统生产的流程3。生产过程比较见图1。图1 生产过程比较1.1研究背景及意义随着环保呼声日益高涨和非可再生能源的过度消耗，风能、生物能等多种可再生资源日益被重视。风力发电是目前利用风能的主要形式，在多种可再生能源利用技术中比较成熟。风力发电有其自身独特的优越性，主要体现在以下五个方面：（1）风能储量丰富。据世界气象组织统计分析表明，地球近地层的风能总量约为13000亿kw5。如有1%被有效利用，就可满足人类对能源的要求。我国幅员辽阔，海岸线长，风力资源丰富，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，据有关专家测算，我国风能理论开发总量为32.26亿kw，实际可供开发量为2.53亿kw，居世界首位。（2）风能是一种洁净的可再生自然资源。不存在燃煤、燃油的环境污染问题，不会引起温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。（3）风力发电厂装机规模灵活，建设周期短。既可以单台安装，又可多台安装，互不干扰；建设一般规模的风力发电厂，从基础设施，到安装投产，只需要半年到一年的时间，而火电、油电、核电约需310年的时间6。（4）风力发电的经济性日益提高。和火电相比，不存在建厂房、运输、除灰等问题；和水电相比，不存在筑坝、淹地、移民等问题。发电后折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处理问题。其成本接近火电，低于油电、核电，从综合经济效益看，具有较强的竞争力。（5）风力发电在新能源发电中技术最成熟。商品化机组单机容量达到2mw，故障率已下降5%以内7，是一种安全、可靠的能源利用方式。预计在本世纪，兆瓦级风力发电将占主导地位。（6）风力发电机分散安装，占地面积小。监控系统与塔架合为一体，加上箱式变压器其建筑面积为风电场总面积的1%6，其余广大土地仍可供农、林、牧使用。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国内外研究现状产品参数化建模技术及其研究现状与产品实物逆向设计相对应的是基于产品需求参数的正向设计，其基础手段是计算机辅助设计技术。自90年代以后，计算机辅助设计技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，经过20多年的探索，已由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，而参数化（parametric）设计正向变量化和vgx（variational geometry extended，即超变量化）方向发展，几何造型、曲面造型、实体造型等则向特征造型以及语义特征造型等方向发展。几何造型技术的充分应用，使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，大大提高了产品开发速度。参数化设计（也即尺寸驱动dimension-driven）即是在这样的实际应用需求中提出的，也是目前正在探讨的课题。参数化设计通过参数驱动机制对图形数据进行操作，解决在特定情况或全约束条件下结构形式比较定型的设计问题，参数与设计对象的控制尺寸之间有显式的对应关系，约束求解比较简单。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。参数化与变量化相比较，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业，零件形状基本固定，且改变很少，通常只需采用类比设计，即只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。而变量化系统除了适合一般的系列化零件设计以外，在进行概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改形设计这类创新式设计。目前参数化技术可以大致分为以下几种方法：（1）基于几何约束的数学方法。数学方法又分为初等方法（primary approach）和代数方法（algebraic approach）。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组，对于给定的约束，通过数值方法解非线性方程组。一次解出所有特征点的坐标值，确定出几何细节，但该方程组求解较困难，实际应用受到限制。（2）基于几何原理的人工智能方法。人工智能的发展，促进了参数化设计方法的发展，产生了几何推理法。这种方法又有两个方面：一是建立在专家系统的基础上，对图形中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法可检验几何约束模型的合理性并能处理局部修改，但系统庞大，对递归约束无法处理。二是扩展现有的数据结构，使其包含拓扑信息，并通过程序实现从几何约束到几何细节的推理。（3）基于特征模型的造型方法。特征造型方法是三维实体造型技术的发展，特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的，以取代用直线、圆弧、圆等基本几何元素构图的方式。特征实体具有一定的优点，它们不但具有明确的工艺特征结构，而且能始终记忆自己的功能属性和与其它相关实体的适应关系。修改某一特征实体，会自动引起整个设计模型的相关变化，其中包括实体本身的物理量（如质心和惯性矩等数据）的变化。例如，孔特征会始终记忆自己当前的形状、位置和负体积特征，机械设计师能利用自己熟悉的工艺特征（如孔、倒角、倒圆等），而非纯几何意义上的体素来组织设计意图，使设计变得容易。（4）基于关系的建模方法。以关系型数据结构构造参数化模型是德国西门子公司首先提出来的。在系统内，关系可建立在所在系统能识别的对象之间，也可在任意大的模型中建立任意复杂的关系模型，这种关系的建立过程是以符合设计师设计习惯的、非常简便自然的方式进行的。关系模型的建立能方便地进行修改以适应不同用户的特殊要求，从而大大提高设计速度。苏高峰等的ug环境下叶片曲面参数分析7，江志林等基于ug的液力变距器叶片参数化设计8，马静等的轴流风机机翼型叶片参数化建模方法9，李群等的基于ug的发动机整体叶轮三维造型研究10，充分运用了cad几何建模技术，由于叶轮形状的特殊性，均着力采用了参数化特征建模方法，使叶轮产品的建模设计更加迅捷。1.2.2发展趋势当今制造业的产品设计依靠建模技术的发展，也已经逐渐从2d转移到3d，三维cad不仅仅是二维cad的升级，还包含装配模拟及检验，以及外围的cae和cam等辅助功能，使建模过程始终与最终产品紧密相关，让设计过程进入全新的境界，彻底改变了设计人员的设计习惯，大幅度的提高了设计速度和设计质量，蕴含着强大的生命力，不仅广泛应用于航空航天、汽车、造船、机械、建筑和电子等行业，而且在类似叶轮的复杂零件的造型技术方面也有许多研究和应用。参数化/变量化设计与特征造型技术相结合是目前三维实体造型技术的发展，基于特征的参数化建模方法已成为国际标准step的集成产品信息模型（ipim）的核心，现在许多著名的cad系统，如ugnx、ideas、pro-e等均具有参数化特征设计功能。2基本概念及原理叶片由上下两个半壳组成，并且有两个单向梁帽和两个多向的由夹层构成的抗剪腹板组成的梁作为结构支撑。2.1翼型结构基本概念 翼型的气动性能直接与翼型外形有关。图2所示在风轮半径为处取宽度为的叶素。通常，翼型外形由下列几何参数决定。（1）翼的前缘a：翼的头部a为圆头；（2）翼的后缘b：翼的尾部b为尖形；（3）翼弦c：翼的前缘a与后缘b的连线称为翼的弦，ab的长度是翼的弦长c；（4）中弧线：翼型内切圆圆心的连线中心为中弧线，对称翼型中弧线与翼弦重合；（5） 翼的上表面upper：翼弦上面的弧面；（6）翼的下表面lower：翼弦下面的弧面；（7）叶片安装角：风轮旋转平面与翼弦所成的角，又称扭转角、倾角、节距角；（8）攻角：翼弦与相对风速所成的角，又称迎角；（9）来流角：旋转平面与相对风速所成的角，又称相对风向角；（10）最大厚度及最大厚度：采用如图2所示的直角坐标系，x轴与翼弦重合，y轴过前缘点a且垂直向上。在x轴上方的弧线为上翼面，以表示；下方的弧线为下翼面，以表示。对应同一坐标的上下翼点距为翼型的高度，以表示，见图3。厚度随的变化称为厚度分布，以表示。 (1)当时，称最大厚度，以表示；称为最大相对厚度，为最大厚度位置，其无量纲为。通常，翼型的相对厚度即指最大相对厚度，以表示。（11）弯度与弯度分布：翼型中弧线和翼弦间的高度称为翼型的弯度，弧高沿翼弦的变化称为弯度分布，以表示： (2)当，称为最大弯度，以f表示：称为最大相对弯度，为最大弯度位置，其无量纲为。同样，通常翼型的相对弯度指最大相对弯图2 翼型的几何参数图3 翼型的结构示意图 2.2翼型空气动力学相关概念假定翼型处于静止状态，令空气以相同的相对速度吹向叶片时，作用在翼型上的气动力将不改变其大小。空气动力只取决于相对速度和攻角的大小。因此，为便于研究，均假定翼型静止处于均匀来流速度中。由于受翼型表面形状的干扰，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。翼型的上表面压力低于周围气压，称为吸力面；下表面压力则高于周围气压，称为压力面。由伯努利理论，翼型上表面的气流速度较高，下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕翼型的流动可看成由两个不同的流动组合而成（图4），一个是将翼型置于均匀流场时围绕翼型的零升力流动；另一个是空气环绕翼型表面的流动。 图4 气流围绕叶素的流动为了表示压力沿表面的变化，可作翼型表面的垂线，用垂线的长度表示各部分压力的大小（图5）：图5 叶素上下表面压差图图6 叶素受力图 (3)式中：p 翼型表面上的静压； 无限远处的来流密度； 无限远处的来流气压； 无限远处的来流速度。翼型受到的升力是由上述空气环绕翼型表面的流动形成的，作用在叶素上的作用力如图6所示：其中：f作用在叶素上的气动力，与翼弦ab垂直9， (4)作用在风轮旋转平面上的升力，与速度v垂直10， (5)作用在垂直风轮旋转平面上的阻力，与速度v平行10 ， (6)式中：s 翼展面积，即弦长x翼展长度；cr 气动系数； 升力系数； 阻力系数。因为升力、阻力相互垂直，故： (7)风轮依靠作用在压力中心点的升力凡使风轮在其安装平面内运动。2.3风机叶片的特征分析叶片的设计初衷就是获得动力学效率和结构设计的平衡，材料和工艺的选择决定了叶片最终的实际厚度和成本。因此结构设计人员在如何将设计原则和制造工艺相结合的工作中扮演着重要角色，设计人员必须找出在保证性能与降低成本之间的最优方案。由于本设计主要目的是对叶片建模，所以只对以下特征分析。2.3.1叶片受力分析叶片上承受的推力驱动叶片转动，推力的分布不是均匀的而是与叶片长度成比例分布。叶尖部承受的推力要大于叶根部。外部的推力除了驱动叶片转动，也会使其产生一定的弯曲。从叶根到叶尖弯曲程度逐渐加大。叶尖处距离支点最远因此变形量最大。叶根承受最大的力矩，在叶尖处力矩为零。力矩和叶片位置关系图如图7。图7 力矩和叶片位置关系图因此在叶片设计中，叶根部具有最大的厚度和最高的强度，向叶尖部过渡的过程中厚度逐渐减小。这也符合空气动力学的设计要求：尖部弦长最短，牵引力最为重要因此需要较薄的厚度。此外在强风条件下叶片需要停转进行功率调节，叶尖部较薄的结构更容易停下。叶根部的弦长最大，产生的推力最小，叶壳铺层厚度的增加可以提高推力。但是为了达到需要的强度和模量而设计的铺层厚度已经超过了气动设计所需要的最佳厚度，因此在设计时需要综合横量。2.3.2几何尺寸优化设计设计人员可以在不改变叶片几何外形的条件下，通过调整梁帽的薄厚来改变叶片性能，降低生产成本。厚度较薄的叶片需要配以更厚的梁帽，这样做却增加了生产成本。同时腹板强度也需要提高，但因为厚度变薄所以总的材料用量没有明显变化。综上所述，几何尺寸的优化设计需要从风机设计，载荷分析，结构设计和制造成本等多方面综合横量才能获得最佳的结果。3叶片参数化建模的ug实现3.1ugnx 7.0简介unigraphics 软件(简称ug)起源于美国麦道飞机公司，六十年代成为商业化软件，被众多美国公司所采用，1991年并入ugs plm solutions公司，目前被并入西门子公司。多年来，ug软件汇集了美国航空航天与汽车工业的专业经验，发展成为世界一流的集成化机械cad/cae/cam软件。它提供了完整的产品工程(tpe)解决方案，能够进行离散型产品的概念设计、详细设计、工程分析和产品验证，不但拥有功能强大的实体混合建模核心技术，提供高效能的曲面构建能力，完成最复杂的造型设计；并且为不同的加工方法，从转孔、线切割，到五联动铣削加工，到机床运动仿真，提出了一个统一的制造解决方案，工艺模式、工艺规划与优化、刀具管理等直接同主设计模型相连，并完全在数字化的环境中建立并捕获其3d产品定义信息，是目前市场上功能极致的产品设计与加工工具，广泛地应用于国内的航空航天、汽车、通用机械及模具等各个领域。3.2实现方法使用ugnx 7.0软件进行产品设计时，可以根据需要，自由地选择建方法，包括参数化建模、实体建模以及表面建模，并以交互模式生成和编辑复杂的实体模型。基于实体混合建模的特征和约束，特征以参数形式定义，便于进行基于大小和位置的尺寸编辑和驱动；约束则通过设计中的不同部件间的数学关系来定义，将各种需求和设计限制结合在一起。使得设计者可以通过直接编辑实体特征的尺寸，或通过使用其他几何编辑和构造技巧，生成和编辑更逼真的产品模型，而花费的力气要比使用传统的基于线框和实体的系统少得多。为了充分发挥软件的设计优势，首先应当认真分析产品的结构，在大脑中思好产品的各个部分之间的关系，充分了解设计意图，然后用ugnx 7.0软件提供的强大的设计及编辑工具把设计意图反映到产品的设计中去。下面从ugnx 7.0软件中的建模功能入手，分析实现叶片参数化特征建模的具体方法。3.2.1草图功能草图（sketch）功能是ug软件建立参数化数学模型的基础，具有十分柔性的约束和尺寸编辑功能。使用草图功能徒手画出曲线“轮廓”的草图并标注尺寸，根据设计的合理化和功能要求，捕捉零件的设计意图，使零部件的粗略概念在草图中展现出来并受到约束。然后就可以扫掠（拉伸或旋转）此草图以生成一个实体或片体。这样确保了当设计进入下一个工程阶段时，在编辑设计时不会丢失基本要求，并可以通过编辑尺寸和生成几何对象间的关系完善草图，以便精确地表示设计对象。编辑草图的尺寸不仅会修改草图的几何图形，还会修改从草图生成的体，体现了ug草图功能的智能化和双向关联性。例如，由草图旋转成形，由草图拉伸成形，由草图扫描成形，由草图构成曲面，如图8所示。在叶片的实体建模中，叶片可以通过叶片截面的草图和引导线草图经过扫掠而生成；而用于修剪叶片的曲面，也可以在草图环境中构建修剪曲线，并通过旋转曲线而生成。图8 草图功能3.2.2关联性关联性功能用来表示模型各部分之间的关系。这些关系是在设计者用不同的功能生成模型时建立的，而约束和关系是在模型创建过程中自动捕捉到的。例如，一个通孔与此孔所穿过的模型上的面相关联。如果之后改变了模型，这些面中的一个或两个都移动了，那么由于与这些面的关联，此孔也将跟着改变并自动更新。对于叶片部分的特征，如果要实现相互关联，不仅需要依赖ug的草图功能，即当改变草图中的尺寸或约束关系时，草图以及由此生成的曲面、体以及特征之间的位置关系均会随之而变，而且要通过建立一致的基准参考、坐标方向，以及确定相互的约束关系等，才能保证叶轮三大主要特征之间的准确关联，实现叶轮的整体改变。3.2.3用户自定义特征通过使用用户自定义特征功能可以生成并添加用户自定义特征（udfuser defined feature），针对目标实体定义特征的形状和功能，生成用户自己定义的成形特征，并生成按照需求定制的特征库，以使普遍使用的设计单元自动化，同时扩展ug内置成形特征的范围和功能。ug的成型特征有孔、槽、键槽、圆台、方凸台等等，均可以附属于某一平面或体，根据软件的预设定和用户的编辑而快速生成或更新。通过软件的用户自定义特征功能，可以生成叶片的参数化自定义特征，从而实现叶片快速生成与更新。对于某一模型的生成和编辑，采取的策略主要取决于该模型的形状和复杂程度，而在一个模型的整个创建过程中往往需要使用多种不同的方式和方法。一般情况下，ug“建模”是从草图开始，首先建立一个基本实体或片体，然后利用成形特征（form feature）在毛坯上添加或切除材料，再进行局部的修整，即特征操作（feature operation），最后形成所需要的零件模型。3.3参数化特征建模3.3.1叶片坐标数据本设计选取型号为t40的轴流式风机，查找其叶片参数值，并通过ug实现参数化建模。叶片外形设计的主要参数有叶轮直径、叶片数、叶片剖面翼型、翼型的弦长和安装角。根据通风机厂给出的二维图纸，不难看出上述参数。叶片是由若干个截面按一定规律扫掠而成的，所以风机叶片在ug中建模中，如何生成截面是最重要。首先要确定出叶片几个截面的形状大小。叶片坐标数据采集见下表。表1 叶片坐标数据根部0102030405060-7.6-5.2-3-2-1-0.4-0.2顶部10203040506063100101.6103103.8104104.80根部708090100110120126-0.3-0.8-2-3-4.8-6.8-7.6顶部63708090100110115105104.7103.8103.5102.1101100打开ugnx 7.0软件，点击【建模】指令，文件命名为“yepian.prt”，进入建模页面，点击下拉菜单【插入】【基准/点】【点】，弹出【点】的对话框。参数设置如图9。图9 点输入参数设置依次输入表中各个点的坐标，结果如图10。图10 叶片数据坐标点显示图3.3.2绘制边界曲线单击下拉菜单【插入】【曲线】【艺术样条】，弹出“样条”对话框。设置样条曲线的阶次为“三次”，依次绘制叶片展开图的曲线，参数设置如图11所示。图11 艺术样条参数设置结果如图12。图12 边界曲线图3.3.3绘制各截面曲线叶片扭曲后的各截面尺寸见表2。表2 叶片扭曲后各截面尺寸截面r(mm)b12951052270110324511542201205195125单击下拉菜单【插入】【基准点】【基准平面】，弹出“基准平面”对话框。依次建立如图14所示距离为25mm的五个平行的基准平面，这五个基准平面分别与五个截面对应。参数设置如图13。图13 基准平面参数设置所得结果如图14所示。图14 基准平面图单击【草图】工具，选择与截面1对应的基准平面，选择【反向】，根据扭曲后截面尺寸表2中的尺寸绘制截面曲线，如图14所示。完成一个截面曲线后，点击【完成草图】。截面曲线见图15。图15 截面曲线图按同样步骤，分别绘制其余四个面的截面曲线，结果如图16。图16 各截面曲线图点击【完成草图】，得到截面组图17所示。图17 截面曲线组3.3.4创建叶片曲面单击下拉菜单【插