莊宿國，羅 鵬，侯寧濤，楊霞輝

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

誘導(dǎo)輪屬于軸流式葉輪，用于提高離心泵的汽蝕性能，其本身也可以在一定程度的汽蝕狀態(tài)下工作。國內(nèi)相關(guān)研究表明：在改善泵汽蝕性能的諸多措施中，在泵的吸入口加裝誘導(dǎo)輪效果最為顯著[1－4]。

誘導(dǎo)輪的設(shè)計精度要求較高，且由于其包角較大及葉片型線變化規(guī)律復(fù)雜等因素，在設(shè)計時不易觀察流道或葉片的空間形狀，因此誘導(dǎo)輪三維造型有助于及時反饋設(shè)計信息，提高誘導(dǎo)輪水力設(shè)計的精確性，并且隨著CFD技術(shù)和快速成型技術(shù)的迅速發(fā)展，誘導(dǎo)輪參數(shù)化三維造型軟件的開發(fā)具有重要的研究價值和工程意義[5－6]。張濤、郭曉梅等對誘導(dǎo)輪三維造型方法進(jìn)行了相關(guān)研究，但未涉及到三維造型的參數(shù)化方面[7-8]。

選用Pro/E為開發(fā)工具、Pro/TOOLKIT為二次開發(fā)平臺、采用C++為編程語言[9]，開發(fā)了誘導(dǎo)輪的參數(shù)化三維造型軟件（PIND-3D），實現(xiàn)誘導(dǎo)輪三維造型的參數(shù)化，進(jìn)一步提高了誘導(dǎo)輪設(shè)計的效率和質(zhì)量。

1 誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)分析

典型的誘導(dǎo)輪二維水力圖如圖1所示，設(shè)計時首先根據(jù)輪轂進(jìn)口直徑dh1、輪轂出口直徑dh2、輪緣直徑Dy、輪轂軸向長度hh、葉片數(shù)Z、進(jìn)口修圓半徑R以及包角φ等數(shù)據(jù)繪制誘導(dǎo)輪的軸面圖和徑向圖，然后繪制誘導(dǎo)輪葉片的型線展開圖，并根據(jù)經(jīng)驗和要求進(jìn)行葉片背面加厚和相應(yīng)的倒角處理。

圖1 誘導(dǎo)輪水力圖Fig.1 Hydraulic design drawings of inducer

2 建立誘導(dǎo)輪三維實體模版

在對誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行誘導(dǎo)輪的三維造型，步驟如下：

1）根據(jù)型線展開圖尺寸數(shù)據(jù)，計算誘導(dǎo)輪葉片型線各點的圓柱坐標(biāo)（R，θ，Z），其中輪緣進(jìn)口修圓部分按軸面圖及徑向圖尺寸計算，并將各點擬合成空間曲線，如圖2（a）所示。

2） 將空間曲線以邊界混合命令生成曲面，并合并各曲面，如圖2（b）所示，保證曲面封閉。

3）生成葉片實體，并根據(jù)葉片數(shù)進(jìn)行陣列，如圖 2（c）所示。

4） 根據(jù)設(shè)計尺寸，建立輪轂，如圖2（d）所示。

在進(jìn)行誘導(dǎo)輪三維造型的過程中，進(jìn)行尺寸標(biāo)注，實現(xiàn)幾何圖形的全約束，保證設(shè)計參數(shù)與三維模型設(shè)計變量相互對應(yīng)。

圖2 誘導(dǎo)輪三維造型步驟Fig.2 Steps of inducer three-dimensional sculpting

3 誘導(dǎo)輪參數(shù)化三維造型軟件開發(fā)

誘導(dǎo)輪參數(shù)化三維造型流程如圖3所示，它包括手動輸入數(shù)據(jù)和讀入PIND-2D（誘導(dǎo)輪二維水力設(shè)計軟件，目前集成于PCAD軟件中）[10]數(shù)據(jù)兩個模塊，數(shù)據(jù)滿足條件后，軟件會自動生成三維造型。以讀入PIND-2D數(shù)據(jù)為例，首先應(yīng)用PCAD的PIND-2D模塊進(jìn)行誘導(dǎo)輪的二維水力設(shè)計，然后讀取二維水力設(shè)計數(shù)據(jù)并判斷幾何尺寸是否完全封閉，接著通過主函數(shù)對三維實體模版各尺寸參數(shù)進(jìn)行更新并通過尺寸驅(qū)動重新生成需要的三維實體[11]。

圖3 軟件開發(fā)流程圖Fig.3 Flow chart of software development

3.1 讀取并檢查數(shù)據(jù)

在PCAD中進(jìn)行二維水力設(shè)計后得到誘導(dǎo)輪的二維水力模型。PCAD中誘導(dǎo)輪程序是通過定義一個結(jié)構(gòu)體來保存三維造型所需的數(shù)據(jù)，相關(guān)函數(shù)為getdata()和savedata()。

在本程序中定義同樣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體來獲取水力設(shè)計產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，然后把讀取的結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)賦給相應(yīng)的控制參數(shù)。讀取輪轂進(jìn)口直徑dh1、輪轂出口直徑dh2、輪轂軸向長度hh、沿輪轂型線展開的各點坐標(biāo)及沿輪緣型線展開的各點坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。因為需要通過曲面建立誘導(dǎo)輪的實體特征，所以要判斷是否可以形成完全封閉的曲面。

3.2 接口程序開發(fā)

在Pro/E平臺上利用Pro/TOOLKIT為開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換時，需要考慮程序與Pro/E以及同用戶之間的交互性問題。利用MFC強大對話框功能實現(xiàn)程序與用戶的交互，應(yīng)用同步DLL方法實現(xiàn)程序與Pro/E 同步[12]。

3.3 主要函數(shù)

Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的核心是用戶初始化函數(shù)user_initialize()和用戶結(jié)束中斷函數(shù)user_terminate()。user_initialize()函數(shù)是Pro/E和Pro/TOOLKIT的通信入口，在該函數(shù)中設(shè)置用戶的交互接口，如設(shè)置菜單、調(diào)用對話框或直接調(diào)用所需函數(shù)等[13]。程序的主要部分如下：

對誘導(dǎo)輪三維模型中的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行賦值時,必須一一對應(yīng)。更新賦值后即可進(jìn)行模型再生。誘導(dǎo)輪參數(shù)化造型主要控制函數(shù)為inducer()，程序的主要部分如下：

3.4 加載、運行及卸載

注冊Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序，就是向Pro/E系統(tǒng)提供該程序的相關(guān)信息。注冊文件是一個文本文件，注冊文件名為protk.dat，保存在＜盤符：＞程序子目錄。

選擇Pro/E的工具/輔助應(yīng)用程序菜單項，選擇“注冊”按鈕注冊應(yīng)用程序。注冊成功后選擇“啟動”按鈕運行應(yīng)用程序。圖4（a）為注冊PIND-3D應(yīng)用程序的界面。如果在注冊文件中包含了多個應(yīng)用程序的注冊內(nèi)容，則在列表框中顯示相應(yīng)的應(yīng)用程序名[14]。

如果在注冊文件中設(shè)置ALLOW_STOP為TRUE，可以手動中止應(yīng)用程序的運行即卸載。選擇需終止運行的應(yīng)用程序，先選擇“停止”按鈕，再單擊“刪除”按鈕，如圖4（b）所示。

圖4 運行或卸載輔助應(yīng)用程序Fig.4 Auxiliary procedures of running or unload

4 誘導(dǎo)輪三維造型軟件的設(shè)計實例

圖5為使用PIND-3D軟件的誘導(dǎo)輪實體和水體的三維造型。該誘導(dǎo)輪的設(shè)計參數(shù)如下：Qi=22.2 L/s，Hi=2.8 m，n=1 450 r/min。

圖5 誘導(dǎo)輪三維造型實例Fig.5 Instance of inducer three-dimensional sculpting

由圖5可知，軟件生成的誘導(dǎo)輪的三維模型過渡光滑且Pro/E光順性檢查表明葉片表面光順性良好，可以滿足工程應(yīng)用的要求。

5 結(jié)論

分析了誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)特點，成功建立了誘導(dǎo)輪實體模型，開發(fā)了誘導(dǎo)輪三維造型的參數(shù)化軟件。應(yīng)用實例表明，軟件運行結(jié)果可靠且具有良好的通用性；為誘導(dǎo)輪水力設(shè)計檢查提供了保障，進(jìn)一步提高了誘導(dǎo)輪設(shè)計的效率和質(zhì)量；同時，提高了誘導(dǎo)輪數(shù)值計算的效率，縮短了誘導(dǎo)輪的研制周期。

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