基于UG二次开发的螺旋进气道的参数化设计*

徐国栋 钱良辉

（西南林业大学机械与交通学院云南昆明650224）

基于UG二次开发的螺旋进气道的参数化设计*

徐国栋 钱良辉

（西南林业大学机械与交通学院云南昆明650224）

针对发动机进气道螺旋曲面特征，提出一种进气道参数化三维造型方法，综合运用UG二次开发工具，构建点，建立进气道曲线方程，通过曲线构建曲面并编辑，开发出进气道三维参数化自动建模系统。该系统能够根据给定参数自动快速建立参数化模型，达到CAD/CAE的集成，为后续分析工作提供支持。

UG螺旋进气道二次开发参数化

引言

在柴油机的发展过程中，进排气系统、燃料供给系统、燃烧室形状三者的相互配合是决定燃烧过程的关键因素[1]。柴油机进气道的设计直接决定了柴油机的进气流动和充气系数，影响柴油机混合气形成和燃烧过程，进而影响柴油机的动力性、经济性、噪声和排放性能[2]，也是实现我国柴油发动机自主创新的关键技术之一。

计算机辅助设计（CAD）技术在进气道设计领域得到了广泛的应用，实时、全自动化构建进气道的三维模型是这方面的更高体现，而采用UG二次开发的方法进行自动建模是最合适的方法。本文综合运用UG二次开发工具GRIP和API提供的相关函数构造点线面，通过Visual C++编程实现进气道螺旋曲面的创建与裁剪，并将其集成到UG软件中，开发建立了一套完整的柴油机进气道三维参数化自动建模系统，使之输入相关参数就可以快速精确地生成进气道模型，以提高进气道自由曲面重构的自动化程度，为后续的流体力学分析提供准确的分析模型。

1 UG二次开发工具

参数化建模系统的开发综合运用UG/Open－MenuSript、UG/Open UIStyler、UG/Open API和VisualC++等UG二次开发技术。利用UG/Open MenuScript编写用户菜单，直接嵌套在UG系统的主菜单上，形成与UG融合统一的界面；利用UG/Open UIStyler制作UG风格的对话框，供用户莱单调用；利用Grip编写简单的点线面的建模程序，利用Visual C++和UG/Open API编写较复杂的建模和曲面编辑方面的程序。

其中，Grip和API编程要相互调用，前期比较简单的建模利用Grip编写，后期比较复杂的建模和编辑利用API编写，用Visual C++和API编写的程序生成动态链接库（Dynamic Link Library）文件，在Grip需要时调用，实现对UG的底层开发。本文使用到Grip调用API的方法，首先Grip向API传递参数，传递函数为grargs和xspawn；其次，API接收Grip传递过来的参数，函数为UF_ask_grip_args（GRIP_ARG_COUNT，grip_arg_list）；最后API将得到的参数返回到Grip中，函数为UF_set_grip_args（GRIP_ARG_COUNT，grip_arg_list）。

2 进气道参数化建模

进气道呈复杂螺旋表面结构，在三维造型过程中定义较少截面很难准确描述气道外形，若截面过多又影响表面光顺性，很难保证面面相切或衔接处的曲面质量。本文采用由点创建线，由线生成面，再编辑面，最后生成实体的方法进行建模编程。

2.1 参数的设置

参数选择是进气道三维成型的基础和难点，参数设置不仅要从建模方面考虑，还要涉及气道流动特性方面的要求，本文暂时只考虑建模的方便进行设置，待后期流体力学分析后再做调整。发动机进气道参数暂时选择进气道口、引导管、螺旋蜗壳、气门室高度、进气道喉口以及进气门座圈等。各段代号以及需要输入的参数如图1所示，一些关键点和曲线是由所输入的参数通过GRIP计算生成。其中进气道口包括入口宽度W、入口高度H、长度位置L1、宽度位置W1、高度位置H1；直流段导向部分包括外曲率半径R_w、内曲率半径R_n和气门杆导向凹台直径相切自动生成、上曲率半径R_s、下曲率半径R_x和上曲率半径相等；气门座圈部分包括气门座圈长度位置q_x、宽度位置q_y、气道喉口直径q_DIAMETR、气门杆导向凹台直径k_DIAMETR，高度q_h、气缸直径c_DIAMETR；螺旋蜗壳部分包括螺旋包角大小α。

图1 进气道参数图

2.2 曲线的生成

在输入参数时，系统会自动给定默认值，也可手动输入参数值，或者手动加载设置好的参数，系统根据输入的参数经过计算实时生成相应的曲线，满足要求后进入下一步。曲线的生成有的是通过函数直接生成，例如圆和直线，而复杂的曲线如直流段导向曲线和螺旋线等是先求点，再通过点生成样条曲线。参数输入和调整后曲线生成如图2所示。本文只介绍图2中lx_w和linlx_n两条具有代表性的样条曲线的计算方法，其它曲线不再重复。

图2 由参数生成进气道主要曲线

直流段导向曲线linlx_n的计算如下：曲线linlx_n是一条正面投影和水平面投影都是圆弧的空间样条曲线，正面投影是wai_yuan，水平投影是nei_yuan，两个投影的圆的相交曲线就是lin_w2。首先，计算水平投影和正面投影的圆的方程。根据已知条件和约束条件，其正面投影半径为上曲率半径R_s，通过入口矩形顶点且垂直于入口矩形平面，所以正面投影圆方程为：

wai_yuan=CIRCLE/CENTER，pt7，RADIUS，R_w，START，270，END，300

其中pt7为求出的圆心；其水平面投影通过入口矩形顶点，与气门杆导向凹台圆相切，而且垂直于入口矩形所在的平面，所以可以计算出水平投影半径为：

其中pt6为求出的圆心。其次，通过水平投影和正面投影的圆上的离散点的坐标求曲线上10个离散点的坐标。方法是沿x轴方向取10个等分点，每个离散点的x方向的坐标就是等分点的x坐标值，y坐标是x值对应的nei_yuan曲线上y坐标值，z坐标值就是x值对应的wai_yuan曲线上的z坐标值，三个坐标值对应的点ppp就是曲线lin_w2上的一个点，这样就得到了曲线lin_w2上十个点的坐标了，用样条曲线将十个点连起来，就是曲线lin_w2。最后GRIP编程如下：

螺旋线lx_w的计算如下：已知参数只有螺旋包角α。从螺旋线lx_w的水平投影来看，是阿基米德螺旋线，其上端要和直流段导向曲线相切；从螺旋线lx_w的正面投影来看，螺距是变化的，上面小，下面大，下端点在螺旋包角直线上。通过反复调试，确定了变螺距阿基米德螺旋线的方程。求10个离散点pppp（10）的坐标，连接成样条曲线lx_w，程序如下。其中R_pp为下端点所在圆的半径，可用螺旋包角求得，xyz3（3）为螺旋线下端点的z坐标，ANG1为水平投影上螺旋线上端点与圆心连线l（9）的角度。

2.3 自由曲面的生成

自由曲面的生成是指通过曲面造型的方式将曲线构建成曲面的方法。[3]在GRIP中，常用的方法有扫掠曲面（SSURF），曲线网格生成自由曲面（SSURF），曲线网格法生成B-曲面（BSURF），扫掠法生成B-曲面（BSURF）等。在UG/Open API中常用的造型方法有直纹面（rule），通过曲线组（through curves），通过曲线网格（through curves mesh），扫掠曲面（swept）等。限于GRIP的局限性，GRIP曲面造型中不能使用边界约束，而UG/Open API中大部分曲面造型可添加边界约束，更灵活多变，所以进气道造型需要两种方法混合造型。由曲线生成曲面后如图3所示。

图3 由曲线生成的曲面

上螺旋面surf_lx的创建方法：将外螺旋线和引导线连接为一条样条曲线l_s_w，同样方法得到样条曲线l_s_n，在外螺旋线和内螺旋线上插入10个点，并链接为9条直线l（9），以l_s_w和l_s_n作为主要曲线，li1，l（9）和l（20）作为交叉曲线，创建网格曲面surf_lx，surf_lx=SSURF/PRIMA，l_s_w，l_s_n，CROSS，li1，l（9），l（20）。创建过程如图4所示。

图4 上螺旋面创建过程

用同样的方法可以得到外包曲面（sur_w1）的创建方法，如图5所示：sur_w1=SSURF/PRIMA，l_s_w，l_x_w，CROSS，li2，SPLN2，SPLN（3），SPLN1。

图5 外包曲面的创建

桥接曲面的创建方法：由于桥接曲面涉及到边界的相切约束，所以使用Grip调用API的方法，在API中进行创建。过程如下：

首先求曲面sur_w1_1与平面s_dy_1的交线jx，使用函数为：

然后求交线jx的桥接线qjx，使用函数为：

最后创建网格曲面，函数为：

创建过程如图6所示。

图6 桥接曲面的创建

2.4 曲面的修剪

在进气道的设计过程中，曲面的修剪主要包括根据边界线对曲面进行裁剪和根据面与面的交线对曲面裁剪两类。其中根据面与面的交线进行裁剪是主要方法。求曲面的交线和曲面的修剪都需要在API中编程，提取相交曲面交线的二次开发函数为UF_CURVE_create_int_object，裁剪曲面函数为UF_MODL_trim_sheet。如图7所示为曲面裁剪前后的对比。

图7 裁剪前后对比

2.5 曲面的缝合与倒圆角

缝合是将片体与片体合并为一个片，如果所缝合片体能形成封闭的区域，可以生成实体图形。将曲面缝合后可以简化后续造型，比如倒圆角，缝合后只需使用边倒圆。缝合与倒圆角都在API中编程实现，缝合函数为UF_MODL_create_sew（option，num_targets，targets，num_tools，tools，tolerance，type_body，&d isjoint_list，&sew），倒圆角函数为UF_MODL_create_blend（blend_radius，edge_list，blend_smooth_over flow，blend_cliff_overflow，blend_notch_overflow，blen d_vrb_tool，&blend_obj_id）。倒角后的进气道如图8所示。

图8 创建倒角

3 程序运行实例

3.1 程序运行

GRIP编译的grx文件和VC++编译的DLL文件在UG中作为一个插件运行，可以通过UG的相应菜单或者工具条调取，如图9为嵌入式菜单，图10为程序运行界面。

下面通过输入不同的参数来检验程序的可行性。图11至图13分别为改变螺旋进气道的螺旋角、入口平面位置、气门杆导向凹台高度所生成的不同气道设计方案。

图9 程序运行界面

图10 参数输入界面

图11 一组不同螺旋角参数的进气道

图12 一组不同入口平面位置参数的进气道

3.2 曲面的光顺性分析

图13 改变气门杆导向凹台高度参数

车身A级曲面的评价方法包括控制顶点、斑马线、曲率梳等，对于车身整体的光顺性一般采用斑马线来评价。[4]本节利用UG的“斑马线”命令对曲面的光顺性进行检查，曲面的斑马线图如图14所示．

由图14可以看出，由于曲面的形成是一体式造型形成的，表面的斑马线相连，在连接处有过渡，没有产生尖锐的拐角，也没有发生错位，可以判断气道模型实现了良好的连续，所以曲面的光顺性是很好的。

图14 曲面光顺性分析

4 结束语

根据螺旋进气道的特点，研究了设计参数的选定和设计步骤等问题，并应用UG支撑软件的二次开发工具以及VC语言编制了有关的应用软件。通过输入不同的参数即可得到不同的气道模型。

采用先计算生成曲线，再生成曲面，使得气道的导向部分和螺旋室部分一体化，最后修剪曲面、合并、倒角，较好地解决了以往难以整体生成理想的气道外形的问题。

1姜水生，朱思巍，黄舒平．柴油机螺旋进气道数字化设计参数分析[J]．南昌大学学报：工科版，2012，34（2）：160～164

2Edresh，Neuber HJ，Wurmsr.Influence of swirl and tumble on economy and emission of multi-valve SI engines[C]．SAE Paper 920516

3晁永生，刘海江，孙文磊.以UG为平台的逆向工程数据处理技术[J].现代制造工程，2010（1）：30～32

4徐家川，雷雨成，洪英武，等．逆向工程中车身A级曲面的评价方法[J]．汽车技术，2007（4）：4～8

Parametric Design of Spiral Inlet Based on Secondary UG Development

Xu Guodong，Qian Lianghui
College of Mechanics and Transportation，Southwest Forestry University（Kunming，Yunnan，650224，China）

With consideration of the spiral surface of the engine，a parametric three dimensional modelling of inlet is proposed in this paper.Various tools of secondary UG development are employed comprehensively to construct points and to establish inlet surface equations.The automatic modelling system is developed by constructing and editing the surface.The modelling system integrating CAD/CAE can build parametric models automatically and quickly based on given parameters，which provides effective support for analysis afterwards.

UG，Spiral inlet，Secondary development，Parameterization

TK402

A

2095-8234（2014）05-0050-05

2014-07-15）

云南省教育厅科学研究项目一般项目（2012Y219）。

徐国栋（1976-），男，副教授，主要研究方向为车辆数字化制造技术。