逆向工程在闭式叶轮反求设计中的应用研究

论文摘要

20世纪中期,为了消化、吸收国外产品的先进技术,以及复杂曲面零件的检测需要,产生了“实物逆向反求”方法,即逆向工程。这种方法是从已有的实物模型入手,首先对模型进行三维数字化测量,利用测量所得数据,重构实物的CAD模型,再对此模型进行CAE分析、改进、创新,最后制造出新产品。本文针对包含复杂内腔的闭式叶轮,论述了实施逆向工程的具体操作方法。首先介绍了闭式叶轮的正向设计方法,即根据水泵的性能参数(流量、扬程、功率、转速等),计算出叶轮的结构尺寸和叶片的型线坐标值,再依据这些数据绘制叶轮的轴面投影图和叶片的剪裁图。从正向设计方法中分析出,只要知道了叶轮前、后盖板上一系列点的高度H和半径R坐标值,便可以画出叶轮的轴面流道投影图;确定一个高度值H的轴垂面,在此面上分别测量不同角度上的轴面与叶片工作面和非工作面的交点的极坐标值(角度θ和半径R),即可绘制叶片的柱面坐标裁剪图。根据中小型制造企业的实际情况,文章介绍了利用坐标鏜床或者坐标铣床以及特制的弹性探针、万能电表等工具进行闭式叶轮的数据采集。这种数据采集方法的原理与三坐标测量机相同,只是配合特制的弹性探针、万能电表等工具,可以进行叶轮流道内部的数据测量。通过分析叶轮的功能和原理,规划了合理的测量区域和测量曲线,即只测叶轮流道内部前、后盖板曲线和叶片工作面和非工作面上的特定曲线。避开了一般逆向测量获得的“点云”数据,也不需要逆向软件对测量的数据进行处理,直接用正向CAD软件进行叶轮模型重构。本文介绍了一种基于Solidworks软件的叶轮模型重构方法,利用Solidworks的多种曲线功能,对生成的初始曲线进行检查、分析和修正;将放样获得的叶片工作面和非工作面延伸至叶轮的前、后盖板,再等距曲面取得叶片与前、后盖板的相交面,实现叶片与前、后盖板的无缝结合,方便后续的质量、体积测量和CAE分析;通过文件读入曲线三维坐标点,可以实现对叶片型线进行参数化驱动的设计方法,方便以后的叶轮改型或创新设计。利用Solidworks Flow Simulation软件,对逆向重建的叶轮进行流体分析。通过对叶轮内部流场进行数值模拟,得到叶轮内部的速度分布图和静压分布图等分析结果。从分布图中可以得出叶轮出口处液体的压力和速度值,根据压力值可以换算出叶轮的扬程,根据速度值可以换算出叶轮的流量,并根据叶轮进出口压力的差值和流量等数据,计算出叶轮的效率。将这些值与原样本叶轮的相应参数相比较,从而验证重建叶轮与原样本叶轮的一致性,判断该逆向工程是否成功。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 逆向工程的发展
• 1.3 逆向工程的概念
• 1.4 逆向工程的应用
• 1.5 逆向工程的工作流程
• 1.6 本课题研究内容
• 第2章 逆向工程数据采集
• 2.1 接触式测量法
• 2.1.1 三坐标测量机的组成
• 2.1.2 三坐标测量机的工作原理
• 2.1.3 三坐标测量机的操作流程
• 2.2 非接触式测量法
• 2.3 断层数据测量法
• 2.4 三维数据测量方法的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 闭式叶轮的正向设计
• 3.1 引言
• 3.2 名词术语
• 3.3 叶轮的主要尺寸及计算
• 3.4 叶轮的绘型
• 3.5 本章小结
• 第4章 闭式叶轮的数据采集
• 4.1 引言
• 4.2 分析闭式叶轮
• 4.2.1 叶轮的功能
• 4.2.2 叶轮的结构
• 4.3 制定闭式叶轮的数据采集方案
• 4.3.1 测量设备选择
• 4.3.2 测量方案制定
• 4.4 闭式叶轮的数据采集
• 4.4.1 测量前的准备工作
• 4.4.2 数据采集
• 4.5 本章小结
• 第5章 闭式叶轮的模型重构
• 5.1 引言
• 5.2 基于Solidworks 的叶轮模型重构
• 5.3 本章小结
• 第6章 重建模型的流体分析
• 6.1 引言
• 6.2 基于Solidworks Flow Simulation 的叶轮内流分析
• 6.2.1 参数设置
• 6.2.2 求解
• 6.3 结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 作者简介
• 详细摘要