CATIA曲面造型实验

1、CAD技术及其应用实验指导书编写： 机电学院054系南京航空航天大学2015年3月CAD技术及其应用实验指导书实验二：曲面造型实验名称：整体叶轮曲面造型实验性质：上机操作计划学时：6学时一、 实验目的在理论学习的基础上，通过上机操作使用CATIA软件，理解B样条曲线曲面表示方法和曲线曲面造型的基本方法。二、 实验内容给定叶片截面测量数据点、轮毂的尺寸图和相关参数，在CATIA软件中进行整体叶轮的曲面造型。另外，在叶片造型完成后，需要完成下列要求的工作：（1）在叶片周向、径向和任意方向（取为45度）三个方向进行圆形截面沟槽、三角形截面沟槽、带圆角矩形截面沟槽、锯齿状截面沟槽。（2）截面大小取为5

2、0微米三、 实验数据本实验采用的数据来自生产实际，这里在满足实验要求的基础上，对尺寸、设计参数、造型要求等进行了简化。叶片截面数据点数据：1.dat，2.dat，3.dat，4.dat，5.dat。各截面数据位于与XOY平面平行的平面上，如1.dat位于Z=173.44平面上，5.dat位于Z=105.54平面上。轮毂为旋转体，剖面图关键尺寸如图1所示。造型要求：叶片共16片均匀分布于轮毂最外面上；各叶片与轮毂表面以半径R=0.4mm圆弧过渡；叶片凸面、凹面之间平滑过渡，其具体过渡尺寸这里不做要求。叶轮最终造型示意图如图2所示。图1：轮毂剖面图图2：整体叶轮曲面模型四、 实验步骤参考整体叶轮曲

3、面造型分为以下三个部分：单个叶片造型、轮毂造型和叶轮合成。A，单个叶片造型A1，读入文件启动CATIA后，在菜单项中选StartShapeDigitized Shape Editor，进入Digitized Shape Editor（数字曲面编辑）单元，此单元可对测量数据进行读入和处理。点击Import图标或选择菜单InsertCloud Import（为查找方便起见，后文中命令均只提供菜单选择方式），选取5个叶片截面文件，并将Format选为“Ascii free”，注意请点击选项Grouped前按钮，使之为白色未选上状态，如图3所示。Grouped的“未选上”状态，可使读入的各个文件中的数

4、据是独立的；否则所有文件将合并成为一个整体，不利于后续处理。图3：读入点云选择菜单ViewFit All In，可将点云显示在屏幕中间，为显示效果更好，可点击鼠标右键，选择菜单Properties来修改点的Symbol（形状）。显示如图4所示。图4：叶片截面点云 A2，扫描线生成有了读入的点云，可选择这些点云用3D Curve命令来创建曲线。但此命令既支持选择读入的点，也支持屏幕上的任意点，因而常容易产生不需要的点。3D Curve命令在单元 StartShapeFree Style中的菜单InsertCurve Creation3D Curve下。这里先将点云生成扫描线后，再进行曲面拟合。系

5、统仍然处于Digitized Shape Editor单元状态，选择菜单InsertScan CreationScan On Cloud，选择叶片截面数据，按照顺序依次选择所有的点，在最后一点处鼠标双击就可生成一条扫描线。这里将叶盆数据和叶背数据分开，所以共生成10条扫描线，如图5所示。注意：为后续曲面造型方便，选择每条扫描线时保持顺序一致。图4：扫描线 A2，BSpline截面线生成与分析选择菜单InsertCurve CreationCurve from Scan，出现如图5所示的对话框，将根据扫描线拟合生成Bezier曲线。Creation mode选择Smoothing方式，生成的曲线

6、光滑度会更好；如果选择Interpolation方式，则将生成插值曲线，通过所有点，但曲线的光顺性很差。Parameters中，Tolerance的含义是曲线拟合与原点云的误差允许值，Max. Order的含义是Bezier曲线的最高阶数，Max. Segments的含义是一条Bezier曲线中包含的段数的最高值，Split Angle的含义是扫描线上某点处的夹角超过该角度时，分别拟合成多条曲线。三个图形按钮分别控制是否显示 “曲线的曲率图”、“曲线与点云的最大偏差值”和“曲线的阶数和段数”。这里各参数初始值可选为如图5所示的结果：Smoothing方式、Tolerance为0.005mm、M

7、ax. Order为6、Max. Segments为40、Split Angle为90、显示曲率图。选择一条扫描线（这里以叶背上靠叶根处的扫描线为例），点击Apply按钮，将显示如图6所示的结果，可以看到曲线在两端曲率变化较大，图上“Fixed”的含义是曲线的端点限定为扫描线的端点。图5：Curve from Scan对话框图6：曲线拟合点击另两个图形按钮，可以查到该曲线的所有分析结果：最大偏差为0.0035，曲线的阶数为6，共有15个曲线段, 如图7（a）所示。将Tolerance改为0.02mm、0.005mm，得到图7（b）、（c）的结果。分析各图可知：将允许误差从0.005mm升高为0

8、.01mm，曲线的曲率变化明显平滑些，曲线的光顺性有不少提高，而再升为0.02mm，曲线的光顺性提高不大，但最大偏差0.018mm有点高。综合精度和光滑性考虑，这里Tolerance取为0.01mm。（a）Tolerance=0.005（b）Tolerance=0.01（c）Tolerance=0.02图7：曲线分析 将所有扫描线拟合成曲线，则完成截面线的拟合，有图8所示的结果，这里将扫描点、扫描线均隐藏不显示。图8：拟合好的曲线 A3，叶背、叶盆曲面生成和分析选StartShapeGenerative Shape Design，进入Digitized Shape Design（创成式外形设计

9、）单元，此单元提供各种曲线、曲面设计、分析功能，如曲面设计功能有：拉伸、旋转、扫略、蒙皮等。选择菜单项InsertSurfacesMulti-sections Surface，出现如图9所示的对话框，上面的文本框中将显示所选择的截面线，下面的文本框显示所选择的导引线（此例中此项为空），如果中间需插入或删除某截面线，可用Remove、Add按钮。在屏幕上按顺次点击需要拟合的截面线，注意观察各箭头指示的截面线方向是否一致，图10显示的是已经选择后的5个截面线，可以用来生成叶背曲面，如图11所示。图9：Multi-sections Surface对话框图10：截面线选择 图11：叶背曲面可以对生成的

10、曲面进行分析。为能够看到分析结果，需更改显示方式。选择菜单项ViewRender StyleCustomize View，选择Material选项。首先我们对构成的曲面进行曲率分析。选择菜单项InsertAnalysisSurfacic Curvature Analysis，将弹出如图12、13所示的对话框，在Type中我们选择“Gaussian（高斯）”曲率类型，其它选项保持缺省值“Color Scale”、和“Positive only”不变。在图13的色标对话框中，点击Use Min Max按钮，这样曲率的最小值为红色，最大值为紫色，其他各值为各插值颜色。可以得到曲面的Gaussian曲

11、率图，如图14所示。这里高斯曲率的最小值也大于零，说明曲面在各处均为凸，符合叶背曲面形状特点。图12：Surfacic Curvature Analysis对话框图13：Color Scale 图14：曲面Gaussian曲率图接着我们对构成的曲面进行等照度线（俗称斑马线）显示分析。此分析功能在FreeStyle Shape Design（自由型外形设计）单元中。因为一般来说，在Generative Shape Design单元中设计的曲面无需进行此类分析。选StartShapeFreeStyle Shape Design，进入FreeStyle Shape Design（自由型外形设计）单元

12、。选择菜单项InsertAnalysisIsophotes Mapping，弹出如图15所示的对话框，这里Mapping Type选择球形映射、，在图形区选择叶背曲面，调整图15对话框中的移动条，可得到如图16所示的结果，说明曲面光顺性很好。图15：Isophote Analysis对话框图16：等照度线曲面分析 再次进入Digitized Shape Design（创成式外形设计）单元，用Multi-sections Surface命令创建出叶盆曲面，得到如图17的结果，同样可对叶盆曲面进行分析，这里省略。图17：叶背、叶盆曲面A4，构造叶背、叶盆之间的过渡曲面选择菜单项InsertSurf

13、acesBlend，出现图18所示的对话框，按照对话框提示，分别选取叶背右边界线为First curve、叶背面为First support、相应的叶盆边界线为Second curve、叶盆面为Second support，各面的continuity（连续性）为Tangency（切向连续），点击Preview按钮可得到图预览图19所示的预览结果。再点击OK即可生成叶背、叶盆之间的过渡曲面。同样，可生成另一过渡曲面。图17：Blend Definition 对话框图17：叶背、叶盆过渡曲面A5，填充叶顶处曲面叶顶处曲面可用填充方法来生成。选择菜单项InsertSurfacesFill，出现图18

14、所示的对话框。依次选择叶顶处的四条边界，过渡面处边界很小，不容易正确选择，可将曲面局部放大后再选择，如图19所示。在生成叶顶曲面前可以用Preview按钮预览填充面的结果。图18：Fill Surface对话框图19：曲面的局部放大 B，轮毂造型B1，草图设计 在屏幕左边的特征树上选择“zx plane”作为轮毂草图的绘制平面，如图20所示。选择菜单项InsertSketcherSketch，进入草图绘制状态。按照图1给出的轮毂草图尺寸绘制出如图21所示的草图，可以先绘制草图的左半部分和对称轴，然后用镜像的方法得到全部，具体绘制方法这里省略。且在V=0的位置绘制一条水平轴线，作为将来的旋转轴。

15、绘制完成后，点击“Exit Workbench”图标退出草图状态。图20：选择草图平面图21：轮毂草图 B2，轮毂曲面生成选择菜单项InsertSurfacesRevolve，出现如图22所示的对话框，在Profile项中选择刚绘制的草图，在Revolution axis项中选择特征树中的HDirection（如图23），Angle 1和Angle 2分别设为360度和0度。图22：Revolution 对话框图23：选择旋转轴 将得到如图24所示的轮毂旋转曲面。图24：轮毂曲面C，叶轮合成现在叶片和轮毂之间仍然存在一个几毫米的间隙，我们需要将他们缝合成一个整体。根据设计要求，我们知道各叶片与

16、轮毂表面以半径R=0.4mm圆弧过渡，因此主要考虑“Fillet”（倒角）功能。CATIA中可用的“Fillet”功能很多，有“Shape”（两个形体之间）、“Edge”（棱边处）、“Variable”（变倒角半径）、“Face-Face”（两个面之间）、“Tritangent”（棱角处）。考虑本实验的模型，这里采用“Shape Fillet”。经过上文“单个叶片造型”章节中各步生成的叶片由5个面组成，无法满足 “Shape Fillet”中只能有两个形体的要求，另外，由于叶根处与轮毂之间有不小的间隙且曲率变化也比较大，需对叶片部分做如下几个准备工作：叶片曲面组合成整体、叶根处曲面边界线提取、

17、叶根部分的曲面延伸。C1，叶片曲面组合首先需要将叶片组合成一个整体。选择菜单项InsertOperationJoin，将出现如图25所示的对话框，选择生成叶片的5个面（叶盆、叶背、两个过渡面、顶面），将他们组合成一个整体。图25：Join对话框C2，初次倒角按常规，此时可以进行倒角命令。选择菜单项InsertOperationShape Fillet，将出现如图26所示的对话框。Fillet type保持缺省值“BiTangent Fillet”， Support 1中选择组合的叶片，Support 2中选择轮毂面，Radius中输入4mm。注意：选上Trim support 1，不选上Tri

18、m support 2；表示倒角过程中对叶片进行裁剪，而不裁剪轮毂面。点击Preview按钮进行预览，结果出现图27的警告对话框，屏幕上显示的倒角结果如图28所示。图26：Fillet对话框图27：Warnings对话框图28：Fillet结果警告对话框中说明少数部位“无法裁剪”，可以看出，部分部位无法倒角，Fillet结果失败。“无法裁剪”的原因主要是两个形体间的间隙过大，大于倒角的4mm，可以通过将其中一个形体进行延伸来减少间隙。C3，叶根处理叶片延伸前，需提取叶根处的边界线。选择菜单项InsertOperationBoundary，将出现如图29所示的对话框，选择叶片，提取的边界线为图3

19、0中的白色线。图29：Boundary对话框图30：边界提取 现在可以进行叶片延伸。选择菜单项InsertOperationExtrapolate，出现如图31所示的对话框。选择边界线、延伸曲面，Type中保持缺省的“Length”，Length中输入3mm。点击Preview，将出现图32中的结果，结果符合要求，点击OK即可。图31：Extrapolate对话框 图32：延伸结果 C4，倒角处理再次尝试倒角命令。选择菜单项InsertOperationShape Fillet，各项参数的选择同图26，点击Preview，结果如图33所示。图33：Fillet结果 C5，叶片阵列现在可将叶片阵列以生成完整的叶轮模型。选择菜单项Insert