艦船柴油機排氣波紋管的可視化設計

黃振亮，濮懷宇

（海軍工程大學 訓練部，武漢430033）

對柴油機動力的水面艦艇而言，排氣波紋管可有效補償廢氣渦輪排氣口與固定在艦體上的排氣管接口之間的相對位移；消除由這個相對位移引發(fā)的對廢氣渦輪殼體和支架的附加作用力，同時切斷柴油機和艦體之間傳遞結構噪聲和沖擊的通道［1］。

由于艦船機艙空間狹小，有必要對排氣波紋管的布置進行優(yōu)化，盡可能減小布置空間。

現(xiàn)今的波紋管波形大都采用“Ω”或“U”形，而對于同一類形的波紋管，所不同的是單波的尺寸、波數以及波紋管與兩端法蘭過渡段長度，所以可以事先構造每種類型的單波波紋管，然后利用零件的三維參數化特征造型技術，生成波紋管立體造型［2-3］。

1 軟件介紹

ActiveX Automation是微軟公司的一個技術標準，以前被稱為OLE（對象鏈接和嵌入），其宗旨是在Windows操作系統(tǒng)中把多個應用程序組織起來，互相溝通和控制［4］。

微軟的VB是Windows操作系統(tǒng)下最常用的支持ActiveX Automation技術的開發(fā)工具，其語法簡單、功能強大，提供了可執(zhí)行代碼的源代碼編譯器。

用VB調用CAD軟件實際上，是VB將CAD軟件理解為一個服務器程序（Server），而二次開發(fā)出的應用程序是客戶程序（Client），用戶只要在客戶程序上進行操作，客戶程序將驅動CAD軟件完成相關的工作，客戶機與服務器之間的關系見圖1。

圖1 客戶機與服務器之間的關系

2 零件的三維參數化特征造型技術

所謂參數化設計是指模型的尺寸用對應關系表示，而不需要確定具體數值。改變一個參數值，將自動改變所有與它相關的尺寸，并遵循設定的約束條件。約束包括尺寸約束、拓撲約束和工程約束，這些約束反映了設計時要考慮的因素。實現(xiàn)參數化的參數與這些約束保持一定的關系，初始設計的形狀自然要滿足這些約束，而當輸入參數的新值時，將保持這些約束關系并獲得一個新的幾何模型［5］。圖2所示為平面圖形利用尺寸驅動的參數化設計，其中圖a）和圖b）為驅動前后的情況，修改前后拓撲關系不變。

特征造型是指以實體模型為基礎，用具有一定設計或加工功能的特征作為造型的基本單元來建立零部件的幾何模型。將參數化造型的思想用到特征造型中，用尺寸驅動或變量設計的方法定義特征并進行尺寸驅動的操作，這樣就形成了參數化特征造型。由于特征均采用參數化定義，因此對形狀、尺寸、公差、表面粗糙度等均可隨時修改，最終達到修改零件的目的。

圖2 圖形的尺寸驅動示意圖

3 排氣波紋管設計

在波紋管的設計過程中，需要在艦船遭受強烈沖擊、大風浪和柴油機工作這三種狀態(tài)下引起的單向位移幅值進行校驗，在這三種情況下，波紋管兩端單向位移幅值應當是廢氣渦輪排氣口單向位移幅值和排氣接管因溫差引起的單向位移幅值之和。

由于艦船機艙空間狹小，有必要對波紋管的布置進行優(yōu)化設計，以盡可能減少所需要的布置空間。規(guī)定艦船首尾方向為x，左右方向為y，上下方向為z。設波紋管兩端相對位移的單向幅值在x、y、z上的分量為Ax，Ay，Az。令排氣管的軸線方向與xy、xz、yz3個平面的夾角分別為ρ，φ，θ。則有：

圖3為排氣波紋管的設計VB界面。通過填入各參數，點擊“計算”按鈕，系統(tǒng)會計算出波紋管的波數和經優(yōu)化布置了的波紋管軸線方向與xy、xz、yz3個平面的夾角。點擊“成圖”按鈕，系統(tǒng)會打開三維造型軟件，生成波紋管，并按與3個平面的夾角進行布置。

4 排氣波紋管的立體成圖

下面是利用VB和CAD軟件的二次開發(fā)技術，對波紋管進行三維造型以及布置操作的VB偽代碼（限于篇幅，這里著重講述波紋管三維參數化特征造型的陣列布爾操作和對波紋管進行布置約束的偽代碼）：

圖3 排氣波紋管設計對話框

1）將VB和CAD軟件鏈接，打開CAD軟件；

2）將單波U型波紋管添加到CAD軟件畫圖區(qū)；

Set partDocument1＝documents1.Open（“

Ripple Tube of U-shape.CADPart”）

3）將U型波紋管的尺寸更改為設計尺寸；

4）沿z軸方向，對單波U型波紋管進行陣列布爾運算，并將陣列個數設置為計算波數N，將陣列間距設置為波距l(xiāng)ength；

Set rectPattern1＝shapeFactory1.AddNew

RectPattern（z軸方向）

rectPattern1.InstancesCount.Value＝N

rectPattern1.Spacing.Value＝length

5）根據軸線與3個方向的夾角，定義兩點，并由兩點做波紋管布置參考直線；

Set ShapePointCoord1＝AddNewPointCoord

Set ShapePointCoord2＝AddNewPointCo

ord（0，0，0）

Set ShapeLinePtPt1＝AddNewLinePtPt

（ShapePointCoord1，ShapePointCoord2）

6）對波紋管的軸線和布置參考直線進行共軸約束；

Set constraint1＝constraints1.AddBiEltCst

（cadCstTypeOn，ShapeLinePtPt1，Product／

ripple pipe of U-shape／！Axis：）

設計好的波紋管立體布置見圖4。

圖4 波紋管立體布置圖

5 結論

1）通過VB的ActiveX Automation技術調用工程庫文件，對CAD進行二次開發(fā)，利用CAD軟件的參數造型技術構造波紋管立體圖形，并根據在VB中的設計結果對波紋管進行了優(yōu)化布置，發(fā)揮了VB和CAD軟件各自的優(yōu)勢，是一次有意義的嘗試；

2）三維可視化技術的應用，使得排氣波紋管在設計過程中，更為方便快捷和直觀，并為下一步利用三維CAD軟件對機艙進行優(yōu)化布置奠定了基礎。

［1］陳國鈞，曾凡明.現(xiàn)代輪機工程［M］.長沙：國防科技大學出版社，2001：300-307.

［2］王賢坤，陳淑梅，陳 亮.機械CAD／CAM技術、應用與開發(fā)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：8-36.

［3］袁利國.艦船推進軸系可視化設計研究［D］.武漢：海軍工程大學，2005：66-72.

［4］盧 軍.基于ActiveX Automation對AutoCAD進行二次開發(fā)的技術［J］.模具工業(yè)，2000（4）：6-8.

［5］Osman T A，Abdel-Aal U M，Elkenany A H，et al.Development of intelligent CAD for the design of mechanical systems［J］.Journal of Engineering and Applied Science，2001，48（10）：937-953.