基于VB和SolidWorks的螺旋管道参数化设计与流阻特性分析.pdf

第 2 7卷 第 1 l 期 2 01 0年 1 1月 机 电 工 程 J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g V0 I 27 No 1l NO V201 0 基 于 V B和 S o l i d Wo r k s的螺旋管道 参数化设计 与流 阻特性分析 徐 洪 涛，王庆 明 术 (华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 2 0 0 2 3 7)摘要：为了实现螺旋管道设计变量与编程语言相结合的参数化设计，利用 V i s u a l B a s i c 6 0编程对 S o l i d Wo r k s 2 0 0 7软件进行了二次 开发。结合实例阐述了螺旋管 参数 化设 计 的思想、技 术要 点和 流程。开展 了不 同结 构螺 旋管 道 的分 析 与设 计，运 用 S o l i d Wo r k s 2 0 0 7中的流体插件 C o s MO S F L o Wo r k s 对螺旋管流阻特性进行了有限元分析。研究结果表明，螺旋管道摩擦损失系数随曲率半径的 增大而减 小，随螺距、人 口处流体速度、圈数的增大而减小，随曲率半径 与管径(比值一定)同时增 大而减小。V B与 S o l i d Wo r k s 相结 合的参数化设计能够简化设计过程，提高工作效率，对螺旋管及其它类型零部件的设计与生产具有重要意义。关键词：V i s u a l B a s i c 6 0；螺旋管；参数化设计；有限元分析 中图分类号：T H1 2；T B 1 2 6 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 4 5 5 1(2 0 1 0)1 1 0 0 0 5 0 4 Pa r a me t r i c d e s i g n a n d a n a l y s i s S flo w f r i c t i o n p r o p e r t y o f h e l i c a l p i p e b a s e d o n VB a n d S o l i d W o r k s X V H o n g t a o，WA N G Q i n g m i n g (I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g，E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7，C h i n a)Abs t r ac t：I n o r de r t o r e a l i z e t he p a r a me t r i c d e s i g n o f h e l i c a l p i pe wh i c h c o ns i s t o f p r o g r a mmi n g l a n g ua ge a n d de s i g n v a r i a bl e pa r a me t e r s，s e c o n da r y de v e l o pme n t o f So l i dWo r ks 2 0 07 wa s i n v e s t i g a t e d b y Vi s u a l Ba s i c 6 0 p r o g r a mmi n g s o f t wa r e De s i g n i de a s，t e c hn i c a l p o i nt s a nd p r o c e s s e s o f h e l i c a l p i p e p a r a me t r i c d e s i g n we r e d e s c r i b e d b y a p r a c t i c a l e x a mp l e T h e h e l i c a l p i p e s wi t h d i f f e r e n t s t r u c t u r e w e r e e s t a b l i s h e d b y t h e p a r a m e t r i c d e s i g n T h e n t h e fl u i d fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f h e l i c a l p i p e w a s c a r r i e d o u t b y p l u g i n o f S o l i d Wo r k s 2 0 0 7(C o s M O S F L o Wo r k s)T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e f r i c t i o n l o s s c o e ffic i e n t i s d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f c u r v a t u r e d i a me t e r，t h e p i t c h，i n l e t v e l o c i t y，t h e n u m b e r o f t u r n s a n d i t d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f c u r v a t u r e r a d i u s a n d d i a m e t e r s i m u l t a n e i t y(c o n s t a n t r a t i o)T h e d e s i g n p r o c e s s o f he l i c a l pi pe c a n be s i mpl i fie d a n d t h e e ffi c i e nc y c a n be i mp r o v e d b y t he pa r a me t r i c de s i g n o f VB a n d So l i d W o r k s Al s o i t h a s g r e a t s i g ni fic a n c e f o r t h e d e s i g n a nd ma nu f a c t u r e o f o t h e r t y pe c o mp o ne nt s Ke y wo r d s：Vi s u a l B a s i c 6 0；h e l i c a l p i p e；p a r a me t r i c d e s i g n；fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 0 引 言 所谓参数化设计 就是将模型 中的参 数约束信息 化、变量化，使之成为可以调整 的参数变量，给参数变 量赋予不同数值，就可 以得到大小和形状不同的零件 模 型。这种设计方法效率高、实现简单、程序量小、可 移植 性强，对 形状 或功 能 相 似 的产 品设 计 具 有 重 要 意 义。利用 V i s u a l B a s i c(V B)对 S o l i d Wo r k s 进 行 二 次 开发便是实现三维参数化设计常用的手段之一l 2 引。随着 S R A C公 司 对 C o s MO S Wo r k s，C o s MO S M o t i o n 和 C o s MO S F L o wo r k s的无缝嵌入，S o l i d Wo r k s 能够直接 收稿 日期：2 0 1 0 0 7 0 9 作者简介：徐洪涛(1 9 8 4一)，男，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事先进制造技术方面的研究 E m a i l：3 9 9 5 0 9 2 6 1 6 3 c o n 通信联系人：王庆明，男，教授，博士生导师 E ma i l：w a n g q me c u s t e d u c n 6 饥 电 工 程 第 2 7卷 进行有限元运动、动力学仿真以及流体动力学和热传 导分析。本研究通过 S o l i d Wo r k s 和 V B进行参数化 建模，结合 S o l i d Wo r k s 流体插件 C o s MO S F l o Wo r k s 进行 有限元分析，得 出螺旋管曲率、螺距、入 口速度、圈数、管径对摩擦损失系数 的影响 J。对 于缩 短零件研发 周期，提高设计效率和质量，以及研究管道 能量损失的 优化与设计具有重要意义。1 螺旋管参数化设计 流程 本研究采用尺寸驱动法编程，即给每个设计变量 赋以相应的名称，通过 V B A窗 口修改这些变量的值，就可以得到所需 的三维模型，这种算法的流程 图如图 1 所示。这种方法常用来处理形状结构相似但尺寸不 同的零件，其运行速度快、效率高，但对编程有严格的 要求，必须生成与零件实际参数相应的设计变量。图 1 螺旋管型参数化设 汁流程罔 2 螺旋管参数化建模 在 S o l i d Wo r k s 下对螺旋管进行 参数化建模，可 以 通过 S o l i d Wo r k s的“宏”(V B A)功能结合 V B 6 0的基 本控件编程来实现。在利用 V B进行 S o l i d Wo r k s参数 化 设计 的过 程 中，关 键 是参 数 的定 义、参 数 的取 值、实体的生成与编辑。由于基于尺寸驱动的参数化图形 设计，一般是外形轮廓相对 固定而只在尺寸上有数值 差异的系列图形，所以对这些零部件 图形处理只是定 义各外形轮廓尺寸变量参数。本研究在定义过程 中，对参数化的命名本着简化、形象、完整 的基本原则，当 然也没有多余 的尺寸构成过约束，没有遗漏的尺寸构 成欠约束，因为过约束和欠约束 的情况均不能实现 图 形的参数化设计 J。螺旋管参数化建模 的过程如下：(1)打开 S o l i d Wo r k s 2 0 0 7(P E版)，调出宏命令，点击编辑按钮。(2)进入 到 V B 6 0界 面，进行螺旋管参数化编 程，同时进入用户窗 口添加各种控件(如 图 2所示)，为使窗体不遮挡 S o l i d Wo r k s建模 过程，将其“S t a r t U p p o s i t i o n”属性 1(窗 口缺省)改为 0(这是通过手动来完 成 的)。(3)在 P r i v a t e S u b U s e r F o r m C l i c k()和 E n d S u b 之间添加主程序，并且用相应的字母来代替，例如用变 量 P D代替螺旋管 曲率半径，用变量 D I 代替螺旋管管 径，用变量 P H代替螺旋管螺距，用变量 R E代替螺旋 管圈数。(4)运行、蒯整、修改程序直至达到满意为止-l 0 。图 2 螺旋管参数输入 界面 3 用 户 访 问界 面 的设 计 依据实际需要 和上述所定 的变量参数，定义用户 界面，如图2所示。利用 S o l i d Wo r k s 和 V B 6 0参数化 设计生成螺旋管，其螺旋管的参数变量如表 1所示，生 成 的相应 三维模 型 如图 3所 示。表 1 螺旋管主要参数 变量【a 1 螺旋管模型一 f b)螺旋管模型二(c)螺旋管模型三(d)螺旋管模型 四 网 3 通过 V B 6 0参数化设计生成的螺旋管模 型 第 1 1 期 徐洪涛，等：基于 V B和 S o l i d Wo r k s 的螺旋管道参数化设计与流阻特性分析 4 有 限元 分析 的数值方法 和螺旋管 物理模 型 4 1 数值方法 C o s MO S F l o Wo r k s 是一 个完全 集 成 在 S o l i d Wo r k s 中的流体插件，在 S o l i d Wo r k s的环境 中就可 以验证并 优化 自己的设计。C o s MO S F l o Wo r k s采用 自适应 直角 网格，控制方程为 N a v i e r S t o k e s 方程，湍流模 型采 用标准 k 一 双方程模型，在近壁 区采用壁面 函数的半 经验公式，并且可通过提高网格精度来提高计算精度。C o s MO S F l o Wo r k s 采用 的是快速有 限元(F F E，F a s t F i n i t e E l e m e n t)技术使得 T程分析 时间大大缩短，其 图 形化的操作界面可以实现网格单元的直观划分和边界 载荷条件直接定义，最新 的测试还表明，快速有限元法 可以提升传统算法分析速度至 5 01 0 0倍。4 2螺旋管物理模型 笔者研究的物理问题是螺旋管的摩擦损失系数 厂 也即摩擦因子，所采用的螺旋管管径为 5 m m，螺距为 1 0 mm 5 0 h i m，曲率半径为 1 0 m i l l 5 0 mm，入 口处流 体速度为 0 1 m s 0 5 n r s，螺旋管 圈数为 1 05 0 圈，流体为不可压流体，密度为 9 9 9 8 k g m ，孑 L 道壁面 为无泄漏的同壁，一共对 5 5个模 型进行数值仿真，经 模拟后直接得到的结果为进 _【口压 力差，摩擦损失系 数的计算公式为。：(1)()()一 式中产 摩擦损失 系数；P 一进 出口压力损失，单位 为 P a；L 一螺旋管 中心线 长度，单位为 mm；D 一管径，单位为 m m；p 一 流体的密度，单位 k g m ；一人 口处流 体速度，单位 m s。5 仿真及结果分 析 5 1 曲率、螺距对摩擦损失系数的影响 通过 S o l i d Wo r k s的流体插件 C o s MO S F L o Wo r k s 对 螺旋管进行有限元分析，目的是为了研究螺旋管曲率、螺距与摩擦损失系数之间的关系，其初始条件如下：入 口处流体速度为 0 2 m s，管径为 5 m m，圈数为 2 0圈，曲率半径分别为 1 0 m m，2 0 m i l l，3 0 i l l m，4 0 il l il l，5 0 h i m，螺距分别为 1 0 m il l，2 0 m l n，3 0 m m，4 0 l g l m，5 0 mm。最 后直接得到的结果为总压力损失，然后利用式(1)进行 换算，其结果如表 2所示。曲率、螺距与磨擦损失系数 之间的关系如图4所示，根据图 4可得 到如下结论：在 管径、人 口处流体速度、圈数、曲率半径一定的情况下，摩擦损失系数随螺旋管螺距 的增大而减小；在管径、人 口处流体速度、圈数、螺距一定的情况下，摩擦损失系数 随曲率半径 的增大而减小。本研究摩擦损失系数与参 数间不是 比例关系。表 2 不 同条 件下摩擦损失系数的计算结果 0 2 O O 1 9 0 1 8 0 1 7 禁0 16 0 I 5 誊0 14 0 1 3 0 1 2 0 l 1 0 l 0 曲率半径k n m 罔 4曲率、螺距 与摩擦损失 系数之 问的天系 5 2入口处流体速度、螺旋管圈数对摩擦损失系数的 影响 本次分析依然是通过 S o l i d Wo r k s的流体插件 C o s MO S F L o Wo r k s 来完成，目的是为了研究人 口处流体速 度、螺旋管圈数与摩擦损失系数之间的关 系。其初始 条件如下：管径为 5 Il l m，曲率半径 为 2 0 m m，螺距为 2 0 il l m，人 口处 流体 速 度分 别 为 0 1 mm，0 2 il l m，0 3 m m，0 4 l l l m，0 5 l i ra，螺旋管因数分别为 1 0圈，2 圈，3 0圈，4 0圈，5 0圈。根据仿 真的总压力损失与式(1)进行换算 的结果 如表 3所 示。如 图 5所尔，根据 图 5可以得到如下结论：在管径、曲率半径、螺距、入 口 处流体速度一定的情况下，摩擦 损失系数 随螺旋管圈 数的增大而减小；在管径、曲率半径、螺距、螺旋管圈数 一定的情况下，摩擦损失系数随人 口处流体速度的增 大 而减 小 表 3 不 同条件下摩擦 损失系数 的计 算结果 机 电 工 程 第2 7卷 图 5 人 口处流体速 度、圈数与摩擦损失系数之间的关系 5 3 曲率半径、螺旋管管径对摩擦损失系数的影响 下面分析在 曲率半径与螺旋管管径的比值一定的 情况下，曲率半径、螺旋管管径与摩擦损失系数之间的 关系。其 初 始 条 件 如 下：入 口处 流 体 速 度 分别 为 0 2 IT I B，螺距为 3 0 m i l l，圈数 为 1 0圈，曲率半 径与管 径 的比值为 2，曲率半径分别为 1 0 fi l m，2 0 mlT l，3 0 Il l lT I，4 0 m l n，5 0 ra i n，管径分别为 5 n l l n，1 0 n ll l l，1 5 m l n，2 0 1 1 I 1，2 5 i n l n l 3 _ l。根据仿真的总压力损失与式(1)进行换算可得到 各损失系数之间的关系如表 4所示。根据表 4可以得 到如下结论：在入 口处流体速度、螺距、圈数、曲率半径 与管径的比值为 2的情况下，摩擦损失系数 随曲率半 径与管径同时增大而减小。表 4 曲率半径、管径与摩 擦损失系数之间的关系 D=1 0 D=2 0 D：30 D=40 D=5 0 d=5 d=1 0 d=1 5 d=2 0 d=2 5 O1 71 0 05 5 0 0 33 0 02 5 0 01 9 6 结束语(1)本研究利用 V B 6 0对 S o l i d Wo r k s 2 0 0 7进行 了二次开发，实现了设计变量与编程语言相结合 的螺 旋管参数化设计，其 自动化程度更高，能够更加方便快 捷地设计 出一系列结构相似的零件参数化模型，简化 了螺旋管设计过程，加速仿真分析的前处理进程，提高 了设计与仿真分析的效率。(2)根据仿真结果可知，螺旋管器件的摩擦损失 系数随曲率半径的增大而减小，随螺距、入 口处流体速 度、圈数 的增大而减小。在 曲率半径与管径 比值一定 的情况下，摩擦损失系数随曲率半径与管径 同时增大 而减 小。(3)本研究采用的 V B与 S o l i d Wo r k s 相结合的参 数化设计流程及具体操作方法能够简化设计过程，提 高工作效率，对形状或功能相似 的零部件 的设计具有 一定的参考价值。参考文献(R e f e r e n c e s)：1 徐国权，黄志超 基于 S o l i d Wo r k s 的参数化设计二次开发 研究 J 机械设计 与研究，2 0 0 7，2 7(1)：6 8 7 0，8 7 2 江洪，李 仲兴，邢启 思 S o l i d Wo r k s 2 0 0 3二次开 发基础 与实例教程 M 1版 北京：电子 _T业 出版社，2 0 0 3 3 徐宏海，华利敏，詹宁 基于 V B和 S o l i d Wo r k s的调苇 阀参数化设计 J 机 电工程技术，2 0 0 9，3 8(4)：3 0 3 2 4 杨敏 基于 S o l i d Wo r k s的管 内水 流摩擦 力 的优 化分析 J 机床与液压，2 0 0 8，3 6(1 1)：1 6 71 6 8，1 7 1 5 许立，杨笑 瑾，施 志辉 螺 旋 管局 部损 失 的数值 模拟 J 机床 与液压，2 0 0 9，3 7(1 0)：1 1 41 1 6 6 MY U N G S，H A N S K n o w l e d g e b a s e d p a r a m e t r i c d e s i g n o f me c h a n i c a l p r o d u c t s b a s e d o n c o n fi g u r a t i o n d e s i g n me t h o d J E x p e r t S y s t e ms w i t h A p p l i c a t i o n，2 0 0 1，2 1(2)：9 9 1 O 7 7 刘志海，鲁青，李桂丽，等 V B 6 0开发 S o l i d Wo r k s 实现 机械产品参数化设计 J 煤矿机械，2 0 0 8，2 9(7)：1 8 0 1 8 3 8 董星涛，洪亮亮，周子裕，等 基于 S o l i d Wo r k s 平台的轴类 件 维造 型工具 的开 发 J 机 电工程，2 0 1 0，2 7(4)：2 8 30 9 S o l i d Wo r k s C o r p o r a t i o n S o l i d Wo r k s 2 0 0 3 U s e r G u i d e M S o l i d W o r k s Co rpo r a t i o n，2 0 02 1 O S o l i d Wo r k s C o r p o r a t i o n S o l i d Wo r k s 2 0 0 3 A P I H e l p M So l i d W o r k s Co r p o r a t i o n，2 00 2 1 1 应隆安，陈传淼 有限元理论与方法 M 2 版 北京：科 学 出版社，2 0 0 9：1 3 0 0 1 2 S m i t h E i a m s a a r d，P o n g j e t P r o mv o n g e E h a n c e m e n t o f h e a t t r a n s f e r i n a t u b e wi t h r e g u l a r l y s pa c e d h e l i c a l t a pe s wi r l g e n e r a t o r s J S o l a r E n e r g y，2 0 0 5，7 8(4)：4 8 3 4 9 4 1 3 陶蕾，贺小华，管凌峰 S o l i d Wo r k s 软件的薄膜蒸发器 虚拟装配 J 轻工机械，2 0 0 8(1)：3 1 3 3 1 4 李艳莉，张海燕，李茂斌 基于 M a t l a b和 S o l i d Wo r k s 软件 的共轭凸轮设计及运动仿真 J 轻工机械，2 0 0 8(1)：5 254 编辑：张翔