基于 CATIA的蜗壳三维模型和二维出图模板研究

刘 超,樊菊平,邓 瞻,王 明

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072;2.成都希盟泰克科技发展有限公司,四川 成都 610072)

1 前 言

蜗壳是水电站厂房中最常见也是最重要的构件之一,所有混流式机组均具有这个构件。蜗壳分混凝土蜗壳和金属蜗壳两种。混凝土蜗壳用于水头小于 40m电站的水轮机上,一般为“”形断面;而金属蜗壳应用范围远比混凝土蜗壳要广泛得多,其断面为单心圆或三心圆。本文主要研究钢蜗壳的三维模型模板。

蜗壳沿水流方向分为两大部位:直锥段和渐变段(见图1)。直锥段的变化规律为沿直线方向上的横截面尺寸渐变,每个控制性截面都是相互平行且形状相似;而渐变段的变化规律为沿环向方向上的横截面尺寸逐渐变小,每个横截面所在平面均通过同一圆心,一般控制断面有 20～30个左右。

根据上述蜗壳结构特征,本文介绍如何利用CATIAV 5R 19SP6软件的参数化设计特性以最简捷的方法建立通用且便于更新的钢蜗壳三维模板。

图1 蜗壳

2 设计流程

鉴于所有蜗壳实体的渐变形式均为先是沿直线方向,然后再是环形方向,不同的是横截面尺寸和在平面上偏移的角度不一样而已。针对以上特性,以操作最简、最适用和便于修改的设计原则来建立蜗壳三维模板 UDF(用户自定义模板)。将直锥段和渐变段分别做成独立的单截面 UDF模板。

2.1 蜗壳直锥段 UDF的建立

(1)在 Generative Shape Design模块中新建一个零件,命名为 Spiralcase(ZZD)_UDF.catpart,在该零件结构树中依次新建三个几何集,命名为“Input”、“Output”和“Plane”,分别放置零件的输入、输出和平面信息。考虑到蜗壳横截面圆半径最多为两种,即左右各一种,所以在做参数集时就用最大个数来控制。点击工具条 “Know ledge”中 “Formula”图标,建立蜗壳直锥段横截面的有关参数,如蜗壳小半径 r、大半径 R、圆心距离中心点距离 Rm、横截面与 X轴线距离 Y、断面序号和指定参数对应 excel表格的序数 XH,共 6个参数(见图2、3)。

(2)定义“Plane”为当前工作对象,作一个与XZ平面平行的平面 plane,该平面即是蜗壳直锥段控制性断面所在平面。基于该平面作一个三心圆草图,并且将圆的几何数据参数化,接下来将几何数上的这些蜗壳截面的参数转成 excel表格。打开这个表格添加剩下的其它截面数据(见表1)。

图2 蜗壳直锥段参数

图3 蜗壳直锥段横截面

图4 蜗壳直锥段 UDF输入、输出信息

图5 蜗壳直锥段UDF输出效果

表1 蜗壳直锥段 excel参数

(3)定制模板 -UDF,点击下拉菜单 InsertKnow ledgeTemplatesUserFeatures,选中结构树中的所有元素,调整参数位置达到输出条件为单线图截面,输入条件为 xz plane,yz plane,xy plane通用性最强的这三个平面(见图4),输出效果见图5。

2.2 蜗壳渐变段 UDF的建立

图6 蜗壳渐变段参数

(1)在 Generative Shape Design模块中新建一个零件,命名为 Spiralcase(JBD)_UDF.catpart,在该零件中新建三个几何集命名为“Input”、“Output”和“Plane”分别放置零件的输入、输出和平面信息。点击工具条 “Know ledge”中 “formula”图标,建立蜗壳直锥段横截面的有关参数,如蜗壳小半径 r、大半径 R、圆心距离中心点距离 Rm、横截面所在平面与XZ平面夹角 a、直边到坐标原点距离 Rm、断面序号和指定参数对应 excel表格的序数 XH,共 7个参数(见图6)。

(2)新建一个基于 XY平面的线段草图,线段的长度为蜗壳截面通过圆心法线与坐标系圆心的距离,线段夹角为蜗壳横截面与 +X方向线的夹角,该线段即为蜗壳横截面的辐线(见图7)。

(3)作一个以辐线端点为圆心、辐线方向为 +X方向的坐标系(见图8)。

图7 蜗壳渐变段横截面辐线

图8 蜗壳渐变段坐标系

图9 蜗壳渐变段横截面

图10 蜗壳渐变段 UDF输入输出信息

图11 蜗壳渐变段UDF输出效果

表2 蜗壳渐变段横截面参数 excel表

(4)基于蜗壳渐变段坐标系中的 XZ平面作一个三心圆草图,并且将圆的几何数据参数化(见图9)。接下来将几何数上的这些蜗壳横截面的参数转成 excel表格,打开这个表格添加剩下的其它横截面数据(见表2)。

(5)定制模板 -UDF,点击下拉菜单 InsertKnow ledge TemplatesUser Features,选中结构树中的所有元素,调整参数位置达到输出条件为单线图截面,输入条件为 xz plane、yz plane、xy plane通用性最强的这三个平面(见图10)。

至此,蜗壳三维模型的圆形横截面 UDF模板就做好了(见图11)。

2.3 蜗壳直锥段与渐变段 UDF模板的调用

针对不同的厂家,蜗壳截面尺寸及个数均是各不相同的,为了能快速方便地引用 UDF模板,用 VB编写一宏命令,命名为“Instance_UDF”,它可以通过蜗壳单线图参数数据表中蜗壳单截面的个数来自动判断引用蜗壳 UDF模板的次数,即蜗壳控制断面的个数(见图12)。

下面调用已建好的蜗壳单线图截面 UDF模板来快速建立三维蜗壳模型。新建一个命名为“A 000SG SpiralCase.catpart”的零件文件,并且在结构树上新增如下 7个几何集:“直锥段”、“渐变段”、“实体”、“曲面 ”、“曲线 ”、“Plane”和 “Sketch”以作备用(见图13)。

依次定义“直锥段”、“渐变段”为当前工作状态,分别启动宏命令来引用刚建立的 Spiralcase(ZZD)_UDF.catpart和Spiralcase(JBD)_UDF.catpart两个 UDF模板,系统可以根据蜗壳直锥段excel参数表和蜗壳渐变段 excel参数表自动依次输出蜗壳直锥段和渐变段的横截面,其效果见图14。

2.4 实现蜗壳的三维模型

为了方便地获取蜗壳的体积、面积、形心、质量等几何参数,再定义“实体”为当前工作对象,在里面做多截面拉伸等实体工作,得到三维实体效果(见图15)。当然也可以在这个三维实体上方便地做出一个曲面来模拟蜗壳的弹性垫层。这样可直观而方便地查看垫层布置范围及其效果,避免了二维平面设计中的困难和盲区。

图12 蜗壳横截面 UDF自动引用的宏命令

图13 蜗壳 3D模型结构树

2.5 二维出图

利用 CATIA二维图模块“Drafting”出二维图。通过 CATIA二维图模块及其二次开发的插件可方便地从三维蜗壳实体得到平面图、剖面图及蜗壳单线断面数据表(见图16)。因为目前 CATIA的二维标注模块较AutoCAD相比有许多不便之处,笔者建议先在 CATIA中完成平面和剖面的轮廓示图。

图14 引用蜗壳横截面 UDF后的 3D模型

图15 蜗壳 3D模型

图16 CATIA绘图模块中直接得到的蜗壳单线图

值得一提的是,当我们需要新的厂家蜗壳三维模型及其表面积、体积等数据时,只需把已建好的零件(“A 000SG SpiralCase”)背后支持的 excel表格数据作出调整,那么该三维模型及与之关联的二维图即会作出相应的更新(见表3)。

表3 三家蜗壳 3D模型及其关联的 excel表

3 结束语

通过对蜗壳三维结构分析,建立典型横断面UDF模板,应用宏命令直接快速地读入 UDF模板后自动生成蜗壳三维横断面模型,再通过简单的“多截面拉伸”命令得到蜗壳三维实体模型。模型一经建立,每次建模或修改模型时仅需调用 excel参数表修改数据,则自动形成所需的蜗壳模型,大大节约了原来手工建立三维模型及修改模型的时间。

利用 CATIA参数化设计特性及宏命令建立蜗壳三维模板,方便快捷,且使用性强,与常规三维实体建模相比,明显具有以下优点:

(1)可以方便地提取实体模型的表面积、体积等几何参数,同时也很方便地为进一步的结构设计提供设计平台,如蜗壳弹性垫层设计、应力应变分析等。

(2)需要更新模型时,只需要更新该模型支持的 excel表格中的数据即可。

(3)基于该三维模型生成的二维图形也相应调整,只需要稍作加工整理便可出图。