基于SolidWorks的汽轮机扭曲叶片造型研究.pdf

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1、!应用实例优化设计满足单位重量下轴向补偿量最大的无加强和加强型波纹管的结构参数!设计条件 材料为#$%&#$%()*$+,-*+./0#设 计 温 度 为#&!$设 计 压 力&1%.23$公 称 直 径 为#&44$波距!$44$疲劳寿命$&5&次$考虑钢板的利用率$要求波纹管的展开长度为5&44误差小于50%设定直边段套箍的厚度为$1&44$材料为#$%&#$%()6$+,-6+./0$设计温度为#&!$使用本文的优化设计系统进行优化设计的结果见表$!5结论本文基于&美国膨胀节制造商协会标准第八版及+&5年的补充更正版$针对!型波纹管的有加强和无加强的型式$分别以单位重量下轴向(横向及角向

2、补偿量最大作为目标函数$利用疲劳寿命设计法$研制了波纹管单目标多约束的综合优化设计软件%使设计出的波纹管最大程度地满足强度(柔性及工艺的要求$以及经济适用的原则%本文采用了网格法来实现波纹管的离散变量优化$得到问题的全局最优解%软件包含7.86+&5版材料性能数据库为设计过程提供极大的便捷和准确性$使整个设计过程宜于操作(高效和经济%且能实现设计计算书的编辑(打印(保存功能%本文工作可为生产及设计单位的新产品的开发及在用产品的优化设计提供优良的服务$可增强企业的竞争能力%参考文献$89.71:3;3):?8AB3;=-/;9/-;:.3;C3D:C)=7=/D-3:-/;EF;D18-G?:?

3、8-:-/;1+&#和89.7+&5 7;D-;D X YD?;/Z/GW$(?3;G=?3!$&K%$(?-;3!,摘要-探讨了用S o l i d Wo r k s软件对汽轮机扭曲叶片实体造型的方法$采用非均匀有理B样条曲线对叶片特征截面型线进行处理$并指出了造型过程中的难点和关键点问题$在大扭曲度长叶片的实体造型过程中如何选用引导线和中心线使各特征截面经放样后成为光滑曲面%以某1 0 2 9 m m叶片造型为例$验证了该方法的可行性%关键词汽轮机)叶片)实体造型)S o l i d Wo r k s)非均匀有理B样条)放样,!#$%&$-#$%$&#()*+,(%($+,-.)/*&$0

4、%&1/2,-$&3,*&2+0($,*&1(,$(24 1*,-./Z-P/)=5,U 61/7$,*1*$(&,-*&/16&6#0/06&$/,*&,6 6/*$6&,-*)&3,*&2+0($8#$(,),61+&0-(9$4:,-&(1/,-.&#$%($+,-.,*:,-&$(1&5�&,*#3&6#*$,-&/(16&/4+,-$0-(6$-&/0+,-$&%09$&#$6#0/06&$/,*&,6*$6&,-*&1/-,-&*%&#&#/1.#+)&,-.(1/,-.&#$*+,(%($+,-.)+0/.$&3,*&+-.2+0($8;$&+M44 2+0($,*&09$-

5、0*0-$0%:+$=,&,*)1-(�&#$%($+,-.%$&#(,*)$0*,2+$8()*+,%-#./$)&0$1%23)4 56&-)4/,62-0,-)62374/,62-8,%9#4:;$237中图分类号YO$#文献标识码7*来稿日期2 0 0 6-0 9-2 7文章编号()#MMK*+(K,&5)(%K)(#第5期+(K年5月)%K 6%-./012345260718%-19:-.;932机械设计与制造型方法一直是人们研究的热点!本文基于近年来在曲线曲面造型中占据主导地位的!#$%#非均匀有理$样条$%一种参数样条有理多项式理论模型%借助%&()*&+,-软件实现叶片的实

6、体造型%为通过该实体进行叶片动静力特性分析打下基础!.%&()*&+,-软件特点简介%&()*&+,-是基于特征的三维参数化/01软件%是世界第一家基于*(2)&3-开发平台的三维/41软件%它的设计数据.556可以编辑%尺寸相互关系和几何轮廓形状可以随时修改&%&()*&+,-具用特征管理器%是同*(2)&3-资源管理器一样的/01文件管理器%复杂零部件的细节和局部设计安排条理清晰明了%用它可以方便地管理/01文件&%&()*&+,-的全相关技术使得零部件之间和零部件与图纸之间的更新完全同步&%&()!*&+,-能自动进行动态约束检查%具有强劲复杂曲面造型能力%能设计表面形状复杂的曲面零件!

7、%&()*&+,-软件是完全基于*(2)&3-的/017/487/497:19桌面集成系统!提供了各种各样的数据转换接口%并具用独特的特点#.$支持转换数据格式比较多&#;$转换效率高&#$创新的特征识别技术!功能强大 易学易用和技术创新是%&()*&+,-的三大特点%使得%&()*&+,-成为领先的 主流的三维/41解决方案!%&()*&+,-能够提供不同的设计方案 减少设计过程中的错误以及提高产品质量!%&()*&+,-强劲的实体建模能力和易用友好的*(2)&3-界面形成了三维产品设计的标准%&()*&+,-是最著名的品牌%是市场快速增长的领导者!%&()*&+,-的这些特点%决定了它能够

8、用于汽轮机叶片的复杂造型%并为通过该造型精确计算叶片的动力静力特性打下了基础!;!=$%曲线曲面造型理论借助当今世界主流的?!2.1N U R B S曲线表达式定义!次A=$%曲线的有理基函数表示为$5%$C%EFF$&!C&!(%(D5%C%FFF%&为权因子%分别与控制顶点)(%(D5%C%FFF%&相联系&首末权因子!5%!&!5其余!&!5%以防止分母为零%保留凸包性质及曲线不致因权因子而退化为一点%*(%!#$是由节点矢量规定的!次规范+样条基函数%根据德布尔G考克斯递推公式有#B%H#B$式中-(%.%(D5%.%FFF%/&.D5%.FFF%&构成网格控制点&!(%.是与顶点-(

9、%.相联系的权因子&*(%!#$%(D5%.%FFF%/和*.%,#0$%.D5%.FFF%&分别为$向!次和0向,次的+样条基函数%可由德布尔G考克斯递推公式#$5%$.%FFF$/1!.&2D$5%$.%FFF$&1,1.&沿$向和0向的节点矢量维数分别为/1!I?和&1,I?!常用的?J次非均匀有理+样条曲面表达式#K$J基于%&()*&+,-的叶片造型汽轮机叶片是由叶身和叶根两部分组成%其形状差异较大%造型方法也不相同%有必要对叶根和叶身分别造型!以L559*汽轮机末级C5?MNN叶片为例%说明叶片的造型方法!3.1叶身的造型基于气体动力学的要求%同时为了降低根部截面的离心拉应力%汽轮

10、机末几级长叶片通常涉及成大扭曲度变截面叶片%即叶片叶身是由沿叶高方向按一定规律给出的多个特征截面拟合而成!本文由气体动力学得到各特征截面离散点云数据%共?个特征截面!3.1.1基准的选择叶身由一系列相互平行的特征截面拟合而成%则需要在叶身各特征截面处先分别建立基准平面%在%&()*&+,-中可一次性方便地建立多个相互平行的等距基准面!以各特征截面的重心点为基准点%即相对坐标系的原点%各特征截面的离散点云数据即相对于该基准点插入各基准面!3.1.2特征截面的绘制每个特征截面是由O5多个离散点云数据给出%由于点数较多%在%&()*&+,-中一个点输入较繁琐且容易出错误%&()!*&+,-对1PQ7

11、1*R格式的文件可以直接引进充当草图%并且不改变其型线特征%因此%特征界面可以在0ST&/01中实现!这为文本的工作带来较大的简化!利用8UVW编辑离散点云数据%如图.所示%其中%345列中的数据分别是曲面上各点的笛卡儿坐标系中的678值%而在4ST&/41中的笛卡儿坐标系的点坐标的输入形式为(9%:%;)%所以我们需要对3+5列的数据间加个(%)!点选中.#表示第列%.表示第.行$格%在公式栏里输入(D4.X)Y(Z$CZ)Y(Z/C)后回车%再将光标放到C格的左下角%当光标变成黑色十字时%按住鼠标左键向下拖动!所以%只需在4ST&/41中先确定局部坐标原点%此时#L$第K期黄文俊等基于S

12、o l i d Wo r k s的汽轮机扭曲叶片造型研究的!坐标相对于局部坐标原点为!点击画点命令即可把离散点云数据插入!由于本文实例叶片特征截面较多为避免出现不必要的混乱 对各截面型线分别绘制并将其保存不同的草图文件在最后特征放样成型时插入各基准面即可!由于进汽端#出汽端为不同半径的圆弧各截面内弧#背弧型值点用#$%&曲线拟合 各特征截面可看成是由四段曲线围成的封闭图形!各特征截面一定为封闭的二维曲面不然将造成该截面无法参与特征放样这是造型的关键!另外在圆弧和样条曲线连接处加相切约束以保证造型的曲面光顺这也是本文的一个关键点!图1在E x c e l中编辑后的点云数据3.1.3引导线#中心线

13、的选取与绘制由于本例叶片造型特征截面较多模型外形不易控制为了使模型外形按我们预想的变化 有必要加入引导线来控制模型的外形变化!如何选取引导线以控制模型外形的变化则成为本文造型光顺的难点!经研究与试验本文选取各特征截面进汽端圆弧中点的连线#出汽端圆弧中点的连线两条曲线为引导线!且由于各特征截面的重心点连线并不是绝对的直线 即重心点在叶根平台截面的投影不重合都落在一个较小的圆形区域内因此 中心线的加入也是有必要的 则各重心点的连线即为中心线!&()*+,-.特有的三维草图功能为本文的引导线和中心线的绘制提供了方便即可直接绘出空间曲线!图2叶身实体造型结果3.1.4叶身造型的实现启动&()*+,-.

14、选择新建零件在前视基准面即/01平面正方向建立23个平行的基准面依次将前述特征截面的草绘图插入相应的基准面中!选择4放样凸台5基体4功能点击选择轮廓按钮依次选取各特征截面$在分别选取引导线和中心线点击确定即可完成各截面的放样得到叶身实体模型如图2所示!3.2叶根造型本例叶片叶根为枞树型叶根相对来说比较规则可在某一基准面先建立草图截面使用特征拉伸即得叶根实体见图6!图3叶根实体造型结果3.3叶片成型本实例叶片在相对叶高!7829处#!7:;9处有拉金孔 在叶片叶身实体切除一圆柱实体即可形成拉金孔!叶身和叶根按设计尺寸关系约束即可得到叶片实体如图所示!图4叶片实体造型结果?软件中对汽轮机叶片的静力

15、#动力特性进行了有限元分析并得到较好的结果在另文给出!从而证明了本文造型方法的可行性模型的精确性与准确性!参考文献3李剑钊闻雪友林志鸿!汽轮机带冠叶片振动特性研究进展AB!汽轮机技术2!9;%&23C2672胡仁喜郭军王仁广!&()*+,-.2!9中文版机械设计高级应用实例DB!北京机械工业出版社2!976徐瑾张瑞秋陈亮!#$%&曲面造型方法AB!信阳师范学院学报%自然科学版&2!638%6&696C6987施法中!计算机辅助设计与非均匀有理%样条DB!北京北京航空航天大学出版社3EE679黄靖韩庆瑶邓巍!汽轮机叶片曲面#$%&造型方法AB!电力情报2!2%6&2C6779DF17#$;%8E 0机械设计与制造