基于Inventor的隔膜泵实体造型及运动仿真

2015-12-30张明远

科技视界 2015年18期

张明远

（天津职业技术师范大学，中国天津300222）

1 Inventor软件简介

Autodesk Inventor是美国Autodesk公司于1999年年底推出的三维可视化实体模拟软件，目前已推出最新版本Inventor 2015。与其他同类产品相比较，Autodesk Inventor在用户界面、三维运算速度和显示着色功能方面有突破性的进展。Inventor具有多个功能模块，如二维草图模块、特征模块、部件模块、工程图模块、表达视图模块、应力分析模块等，每一个模块都拥有自己独特的工作环境。在零件环境中可以创建单一零件、二维草图几何特征、钣金零件，其文件类型为零件文件(ipt)；在装配部件环境中，可以调入已有的零件或创建新零件并添加装配约束，同时可以控制特征的自适应性，其文件类型为部件文件(iam)；在表达视图环境中，可以定义部件的分解视图，并可进行装配过程的动态模拟，其文件类型为表达视图文件(ipn)；在工程图环境中，可以由三维模型直接生成二维图形，创建零件、部件及表达视图的工程图，其文件类型为工程图文件(idw)。

Inventor采用参数化特征建模技术，具有灵活的设计理念，其主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改，这样可以最大限度地确保同一产品所有文件的一致性和可靠性。

2 隔膜泵简介

液力端上装有隔膜，把输送介质的过流部件和使隔膜产生弹性变形的部件或柱塞工作缸隔开的往复泵称为隔膜泵。隔膜泵的隔膜类型有膜片、波纹管和筒形隔膜等，其中以膜片应用最多。用柱塞工作缸中液体压力的周期变化来带动隔膜周期弹性变形的称为液压隔膜泵；用机件的往复运动直接带动隔膜弹性变形的称为机械隔膜泵。

隔膜真空泵是近年来国内外备受重视并得到迅速发展的一种真空泵。由于隔膜真空泵具有抽气通道内没有油污染、结构简单紧凑、体积小、重量轻、移动方便、工作寿命长、无摩擦损耗、运行平稳、真空度高、噪音低等特点，得到了真空行业的欢迎与市场的青睐。而其在设计、制造方面较高的技术含量，也受到国内外科技界的广泛重视。

隔膜真空泵的工作原理是：通过电机的旋转运动，带动机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而压缩、拉伸泵腔内的空气形成真空，在抽气口处与大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体吸入泵腔，再从排气口排出。

图1 隔膜泵

3 隔膜泵各零件的三维实体造型

在Inventor中，零件是特征的集合，设计零件的过程也就是依次设计零件的每一个特征的过程。在Inventor中，主要有草图特征、放置特征、阵列特征和定位特征四种类型的特征。在Inventor中基本的设计思想就是基于特征的造型方法，一个零件可以视为一个或者多个特征的组合。这些特征之间既可相互独立，又可相互关联。在Inventor中特征也是用尺寸参数来约束的，可以通过编辑特征的尺寸来对特征进行修改。同时，还可以使用拉伸、旋转、打孔等特征创建隔膜泵各零件的三维实体模型。

3.1 隔膜泵典型零件之风窗的创建

首先使用“拉伸”命令，绘制风窗的基本形状，并绘制内侧凸台；其次使用“倒圆角”命令生成风窗外侧的圆角；然后使用“除料”命令绘制出风窗的一个窗口，并使用“阵列”命令将风窗窗口按“轴”阵列，填入阵列角度；最后使用“拉伸”命令绘制风窗内侧安装时所用卡角，并使用“镜像”命令进行镜像，完成风窗绘制如图2所示。

图2 风窗

3.2 隔膜泵典型零件之气室的创建

首先绘制气室的初步轮廓，并利用“拉伸”命令绘制气室一侧的两个气孔及另一侧的凸台；其次使用“打孔”命令，在气室边缘相应位置处绘制安装时所用的螺纹孔，并用“阵列”或“镜像”命令在四个角绘制四个螺纹孔；然后使用“倒圆角”命令并设置相应的倒角半径，对需要倒圆角的部分进行倒圆角；最后使用“拉伸”、“镜像”等命令绘制气室内部肋板，完成气室绘制如图3所示。

图3 气室

4 隔膜泵虚拟装配

通过对隔膜泵各零件进行三维实体造型，可进入装配环境对零件进行装配。Inventor软件提供了将单独的零件或者子部件装配成为部件的功能，即可以将已经绘制完成的零件或者部件按照一定的装配约束条件（配合、角度、相切、插入、对称等）装配成一个部件，同时这个部件也可以作为子部件装配到其他的部件中，最后零件和子部件装配成一个符合设计构想的整体。装配过程中，一般遵循从上至下或从下至上的装配原则，目的是便于装配和后续工程图样的零件序号自动生成（装配的顺序就是后续装配工程图样的序号顺序），使得设计及修改过程大大缩短。

Inventor资源中心库提供了一些通用标准零件（螺母、螺栓、螺钉、垫圈等）并完全定义了这些标准件的对应参数，可以从零件放置列表中调整该零件的每一个参数值。在部件面板上“从资源中心放置零部件”工具中，根据所需标准件规格，输入对应参数值，可从资源中心库直接调入。装配时只需将一组螺栓连接装配好，其余若干组可采用环形阵列零部件的方法实现快速装配。

首先调入泵体、轴承，建立约束并选取所需要的特征，然后选择所需应用的类型，将轴线对齐，面与面匹配；其次，将轴调入，以轴承和轴的轴线为参照，约束类型选择对齐，将轴安装到指定位置；然后用同样的方法调入定子部装、转子部装、扇叶、风窗、右泵体、减震角等，依次装配到指定位置；最后装配泵体上方气室零件，如密封垫片、气室端盖、气室、三通、排气嘴等，并将各处螺栓、螺柱等进行装配，最终效果如图4所示。

图4 装配效果图

5 运动仿真

在产品设计完成之后，通常需要对其进行运动仿真，以验证设计的正确性，Inventor中提供的运动仿真模块即可实现这方面的功能。运动仿真可以仿真和分析装配部件在各种载荷条件下运动的情况，利用计算机对工程和产品性能与安全可靠性进行分析，模拟其工作状态和运动行为，以便及时发现设计中的缺陷。运动仿真还可以将任何运动状态下的载荷条件输出到应力分析并展示运动过程。在应力分析中，可以从结构的观点来查看零件如何响应装配在运动范围内任意点的动态载荷。上述过程可概括为：仿真环境设置→继承与转换装配约束→添加外部载荷→添加原动力→仿真播放→输出仿真图示→将仿真结果导入到应力分析。