基于SolidWorks开发水轮发电机组虚拟样机

陈涛　郭海峰　孙廷昌　丘恩华　吕毅松

摘 要：分析了虚拟样机技术的发展和相关技术，介绍了基于solidworks的虚拟样机系统软件集成，并给出了基于SolidWorks软件的虚拟样机设计方法和实例。

关键词：虚拟样机；SolidWorks；动态仿真；水轮发电机组

对于当前的水轮发电机来说，其属于水力发电厂的重点核心，由于水轮机运行条件复杂、大量的零部件可能出现安全故障，并且在运行中振动、磨损等问题仍未得到优化完善，所以定期检修是水力发电厂现阶段的重点工作内容。每次检修时，如何根据具体的设备运行情况进行方案制定，以降低检修成本和缩短检修周期等是水力发电厂当前面临的主要问题。对于大型电站，水轮机的许多零部件被安装在机坑里，使得检修人员在进行检查过程中，难以明确当前设备的内部实际情况，并影响其对内部空间位置的分析。

因此，水轮发电机组虚拟样机的开发，对水电站的（检修）技术进步和人才培养具有明显的促进意义。

1 虚拟样机技术介绍

虚拟样机是针对于真实机械系统而言，在二十世纪八十年代，以计算机技术为基础，发展的一项计算机辅助工程（CAE）技术。对一个机械系统在研究过程中，其主要的研究内容包括当前的动力学、静力学以及运动学三种类型，而虚拟样机是在计算机上建立机械系统三维精确模型，利用模型的优势模拟在真实环境中进行机械系统的动力学与运动学分析。

SolidWorks机械设计自动化软件是一个基于特征、参数化、实体建模的设计工具。在solidworks中，通过运动算例功能可以快速，简洁地完成机构的仿真运动及动画设计。运动算例可以模拟图图形的运动及装配体中的部件直观属性，它可以实现装配体运动的模拟、物理模拟。

2 水轮发电机组虚拟样机构建流程分析

流程：实际上，当前的水轮发电机组虚拟样机在进行建立过程中，主要是以当前的SolidWorks环境为主导思想，并以此为基础，积极建立完善的三维实体模型，灵活通过虚拟装配进行三维水轮发电机组模型建立，适当进行信息的约束，通过添加合理的材质，促使当前的虚拟样机完成。具体流程为：开始→水轮发电机组装配信息分析→建立三维精确模型库→构建水轮发电机组装配体→虚拟样机

2.1 装配体信息的分类

装配体是具有以下2个特征关系的零部件的总称：

（1）2个零件应该相互接触；

（2）2个零部件之间具有一定的约束关系。

因此如果要具体完整的描述一个装配体，需要以下信息：零件信息（零件本身的属性信息）、装配关系（零件相对位置以及方向的定位关系）信息、父、子层次关系（装配体中各零部件的层次关系）信息。

实际上水轮发电机组受其自身的性质影响，可以分解为不相同层次的子装配体及零件，其中的一个子装配体又可以拆分为不相同的下一级子装配体和多个零件，以此類推直到分解为1个1个的单个独立零件体。

装配体、子装配体、零件之间的父、子层次关系可以1：1（结构1：1，尺寸1：1）的使用树形的形式表现出来。一个装配体树的根节点是总装配体，实际上是整体水轮发电机组，而每个中间节点就是各个子装配体（各个部件，例如调速器以及发电机等），叶节点是完全物理性质上是独立的单个零件）。从图1中的装配体树的相对父、子关系可以直接、清楚的看到每个零件、装配体见的相对关系，也可以更清晰的看到整个装配体的组成过程以及组成结构。

2.2 建立三维精确模型库

参照前面装配体（父、子关系）关系分析的结论，建立三维模型，首先应该整理该树形最底层机电设备零件相关基础技术资料、结构图纸、工艺标准、实务照片等，充分掌握设备零件的实际结构组成以及工作原理和相互关系后，然后根据实际的水轮发电机组的各机电设备零件的具体数据1：1对应的（尺寸、结构1：1）进行精细化建模开发，建模过程中应注意：

2.3 构建完善的水轮发电机组装配体

构建水轮发电机组装配体过程中，当其完成零部件的数字建模以及数字化数据库后，根据当前实际的要求进行最终的模拟装配，以实现最终的目的。例如，进行总体规划，保证各个零件的安装顺序合理，灵活利用当前的VB编程进行控制，提升装配效果。如图3所示，其是当前大型水轮发电机组的一级装配图。

现阶段SolidWorks在进行装配过程中，在进行零件添加过程中应用的方法主要有两种，一种是程序方法，另一种是手动方法，根据不同的需求进行选择。受手动方法影响，其自身的自动化程度较低，而对于当前的程序方法来说，在应用过程中，主要是利用当前的零件文件，并运用API函数进行指定位置添加，满足当前的需求。

SolidWorksAPI中，主要是利用当前的函数OpenDoc4（）进行零件文件打开，并根据实际的需求，灵活利用当前的assemblyDoc 对象的 AddComponent2（）函数进行零部件添加，例如，具体来说，AddComponent2（）函数的使用方法主要体现在以下方面：

LPDISPATCH modDisp =UserApp.>getSWApp（）.>GetActiveDoc（）；

IAssemblyDoc assembly（modDisp）；

assembly.AddComponent2（"C：＼＼＼＼sw＼＼＼＼转轮.SLDPRT"，x，y，z）；

实际上，当前的AddComponent2（）函数只能指定加入当前的零件原点坐标系中的位置坐标，导致其应用具有一定的局限性，需要结合实际情况进行设置。

在整个机组的安装过程中，装配按树形结构组织。以水轮机为例，其接力器、主轴和转轮、导水机构和轴承装配均为其第 1 级子装配。第1级子装配包括第2级子装配和零件。以轴承装配为例，包括油箱、 内油箱、冷却器、轴承体和油箱盖等零件及轴瓦装配。而轴瓦装配由轴瓦和轴承合金装配而成，所以是第3级子装配。合理的装配顺序确定后，在SOLIDWORKS中采用Inline节点将SOLIDWORKS文件按照相互关系装配起来。系统中先将零件装配成最低级别的子装配，并利用 SOLIDWORKS文件中组节点Transform的坐标偏移量translation设定零件在适当的初始位置，完成整个装配过程。

2.4 动态干涉检查与装配关系的完善

在现实世界中，两个实体对象不可能实现空间共享，因此在进行虚拟环境建设中，为促使其更加真实，必然会应用当前的实体碰撞与实体检测技术，以保证其满足当前的要求。在进行技术检测过程中，需要合理按照当前的检测顺序进行，如主要分为碰撞检测、碰撞分析以及碰撞响应，合理对其进行判断，并获得准确的信息，辅助系统进行处理。

3 结语

为水电站发电运行与检修的需求，规避现代水电站走上传统水电站的新员工培训方法是师带徒的方式，在面对海量设备的内部结构、工作原理、检修工艺、装配工艺的岗位能力要求而研究的水轮发电机组虚拟样机，方便图纸的查阅和理解，保证工作人员在无法看到实物的情况借助本模型分析技术难点，通过智能化的装配，促使员工直观的了解水电站系统构成及运作方式。它能给水电站员工更与真实接近的体验，为探索宏观设备及微观设备提供快捷的通道。

作者简介：陈涛（1963.），男，重庆人，本科，高级工程师，研究方向：电力工程技术、电力虚拟仿真技术。