基于 CATIA的蝸殼三維模型和二維出圖模板研究

劉 超,樊菊平,鄧 瞻,王 明

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072;2.成都希盟泰克科技發(fā)展有限公司,四川 成都 610072)

1 前 言

蝸殼是水電站廠(chǎng)房中最常見(jiàn)也是最重要的構(gòu)件之一,所有混流式機(jī)組均具有這個(gè)構(gòu)件。蝸殼分混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種?；炷廖仛び糜谒^小于 40m電站的水輪機(jī)上,一般為“”形斷面;而金屬蝸殼應(yīng)用范圍遠(yuǎn)比混凝土蝸殼要廣泛得多,其斷面為單心圓或三心圓。本文主要研究鋼蝸殼的三維模型模板。

蝸殼沿水流方向分為兩大部位:直錐段和漸變段(見(jiàn)圖1)。直錐段的變化規(guī)律為沿直線(xiàn)方向上的橫截面尺寸漸變,每個(gè)控制性截面都是相互平行且形狀相似;而漸變段的變化規(guī)律為沿環(huán)向方向上的橫截面尺寸逐漸變小,每個(gè)橫截面所在平面均通過(guò)同一圓心,一般控制斷面有 20～30個(gè)左右。

根據(jù)上述蝸殼結(jié)構(gòu)特征,本文介紹如何利用CATIAV 5R 19SP6軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)特性以最簡(jiǎn)捷的方法建立通用且便于更新的鋼蝸殼三維模板。

圖1 蝸殼

2 設(shè)計(jì)流程

鑒于所有蝸殼實(shí)體的漸變形式均為先是沿直線(xiàn)方向,然后再是環(huán)形方向,不同的是橫截面尺寸和在平面上偏移的角度不一樣而已。針對(duì)以上特性,以操作最簡(jiǎn)、最適用和便于修改的設(shè)計(jì)原則來(lái)建立蝸殼三維模板 UDF(用戶(hù)自定義模板)。將直錐段和漸變段分別做成獨(dú)立的單截面 UDF模板。

2.1 蝸殼直錐段 UDF的建立

(1)在 Generative Shape Design模塊中新建一個(gè)零件,命名為 Spiralcase(ZZD)_UDF.catpart,在該零件結(jié)構(gòu)樹(shù)中依次新建三個(gè)幾何集,命名為“Input”、“Output”和“Plane”,分別放置零件的輸入、輸出和平面信息。考慮到蝸殼橫截面圓半徑最多為兩種,即左右各一種,所以在做參數(shù)集時(shí)就用最大個(gè)數(shù)來(lái)控制。點(diǎn)擊工具條 “Know ledge”中 “Formula”圖標(biāo),建立蝸殼直錐段橫截面的有關(guān)參數(shù),如蝸殼小半徑 r、大半徑 R、圓心距離中心點(diǎn)距離 Rm、橫截面與 X軸線(xiàn)距離 Y、斷面序號(hào)和指定參數(shù)對(duì)應(yīng) excel表格的序數(shù) XH,共 6個(gè)參數(shù)(見(jiàn)圖2、3)。

(2)定義“Plane”為當(dāng)前工作對(duì)象,作一個(gè)與XZ平面平行的平面 plane,該平面即是蝸殼直錐段控制性斷面所在平面?；谠撈矫孀饕粋€(gè)三心圓草圖,并且將圓的幾何數(shù)據(jù)參數(shù)化,接下來(lái)將幾何數(shù)上的這些蝸殼截面的參數(shù)轉(zhuǎn)成 excel表格。打開(kāi)這個(gè)表格添加剩下的其它截面數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。

圖2 蝸殼直錐段參數(shù)

圖3 蝸殼直錐段橫截面

圖4 蝸殼直錐段 UDF輸入、輸出信息

圖5 蝸殼直錐段UDF輸出效果

表1 蝸殼直錐段 excel參數(shù)

(3)定制模板 -UDF,點(diǎn)擊下拉菜單 InsertKnow ledgeTemplatesUserFeatures,選中結(jié)構(gòu)樹(shù)中的所有元素,調(diào)整參數(shù)位置達(dá)到輸出條件為單線(xiàn)圖截面,輸入條件為 xz plane,yz plane,xy plane通用性最強(qiáng)的這三個(gè)平面(見(jiàn)圖4),輸出效果見(jiàn)圖5。

2.2 蝸殼漸變段 UDF的建立

圖6 蝸殼漸變段參數(shù)

(1)在 Generative Shape Design模塊中新建一個(gè)零件,命名為 Spiralcase(JBD)_UDF.catpart,在該零件中新建三個(gè)幾何集命名為“Input”、“Output”和“Plane”分別放置零件的輸入、輸出和平面信息。點(diǎn)擊工具條 “Know ledge”中 “formula”圖標(biāo),建立蝸殼直錐段橫截面的有關(guān)參數(shù),如蝸殼小半徑 r、大半徑 R、圓心距離中心點(diǎn)距離 Rm、橫截面所在平面與XZ平面夾角 a、直邊到坐標(biāo)原點(diǎn)距離 Rm、斷面序號(hào)和指定參數(shù)對(duì)應(yīng) excel表格的序數(shù) XH,共 7個(gè)參數(shù)(見(jiàn)圖6)。

(2)新建一個(gè)基于 XY平面的線(xiàn)段草圖,線(xiàn)段的長(zhǎng)度為蝸殼截面通過(guò)圓心法線(xiàn)與坐標(biāo)系圓心的距離,線(xiàn)段夾角為蝸殼橫截面與 +X方向線(xiàn)的夾角,該線(xiàn)段即為蝸殼橫截面的輻線(xiàn)(見(jiàn)圖7)。

(3)作一個(gè)以輻線(xiàn)端點(diǎn)為圓心、輻線(xiàn)方向?yàn)?+X方向的坐標(biāo)系(見(jiàn)圖8)。

圖7 蝸殼漸變段橫截面輻線(xiàn)

圖8 蝸殼漸變段坐標(biāo)系

圖9 蝸殼漸變段橫截面

圖10 蝸殼漸變段 UDF輸入輸出信息

圖11 蝸殼漸變段UDF輸出效果

表2 蝸殼漸變段橫截面參數(shù) excel表

(4)基于蝸殼漸變段坐標(biāo)系中的 XZ平面作一個(gè)三心圓草圖,并且將圓的幾何數(shù)據(jù)參數(shù)化(見(jiàn)圖9)。接下來(lái)將幾何數(shù)上的這些蝸殼橫截面的參數(shù)轉(zhuǎn)成 excel表格,打開(kāi)這個(gè)表格添加剩下的其它橫截面數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。

(5)定制模板 -UDF,點(diǎn)擊下拉菜單 InsertKnow ledge TemplatesUser Features,選中結(jié)構(gòu)樹(shù)中的所有元素,調(diào)整參數(shù)位置達(dá)到輸出條件為單線(xiàn)圖截面,輸入條件為 xz plane、yz plane、xy plane通用性最強(qiáng)的這三個(gè)平面(見(jiàn)圖10)。

至此,蝸殼三維模型的圓形橫截面 UDF模板就做好了(見(jiàn)圖11)。

2.3 蝸殼直錐段與漸變段 UDF模板的調(diào)用

針對(duì)不同的廠(chǎng)家,蝸殼截面尺寸及個(gè)數(shù)均是各不相同的,為了能快速方便地引用 UDF模板,用 VB編寫(xiě)一宏命令,命名為“Instance_UDF”,它可以通過(guò)蝸殼單線(xiàn)圖參數(shù)數(shù)據(jù)表中蝸殼單截面的個(gè)數(shù)來(lái)自動(dòng)判斷引用蝸殼 UDF模板的次數(shù),即蝸殼控制斷面的個(gè)數(shù)(見(jiàn)圖12)。

下面調(diào)用已建好的蝸殼單線(xiàn)圖截面 UDF模板來(lái)快速建立三維蝸殼模型。新建一個(gè)命名為“A 000SG SpiralCase.catpart”的零件文件,并且在結(jié)構(gòu)樹(shù)上新增如下 7個(gè)幾何集:“直錐段”、“漸變段”、“實(shí)體”、“曲面 ”、“曲線(xiàn) ”、“Plane”和 “Sketch”以作備用(見(jiàn)圖13)。

依次定義“直錐段”、“漸變段”為當(dāng)前工作狀態(tài),分別啟動(dòng)宏命令來(lái)引用剛建立的 Spiralcase(ZZD)_UDF.catpart和Spiralcase(JBD)_UDF.catpart兩個(gè) UDF模板,系統(tǒng)可以根據(jù)蝸殼直錐段excel參數(shù)表和蝸殼漸變段 excel參數(shù)表自動(dòng)依次輸出蝸殼直錐段和漸變段的橫截面,其效果見(jiàn)圖14。

2.4 實(shí)現(xiàn)蝸殼的三維模型

為了方便地獲取蝸殼的體積、面積、形心、質(zhì)量等幾何參數(shù),再定義“實(shí)體”為當(dāng)前工作對(duì)象,在里面做多截面拉伸等實(shí)體工作,得到三維實(shí)體效果(見(jiàn)圖15)。當(dāng)然也可以在這個(gè)三維實(shí)體上方便地做出一個(gè)曲面來(lái)模擬蝸殼的彈性墊層。這樣可直觀而方便地查看墊層布置范圍及其效果,避免了二維平面設(shè)計(jì)中的困難和盲區(qū)。

圖12 蝸殼橫截面 UDF自動(dòng)引用的宏命令

圖13 蝸殼 3D模型結(jié)構(gòu)樹(shù)

2.5 二維出圖

利用 CATIA二維圖模塊“Drafting”出二維圖。通過(guò) CATIA二維圖模塊及其二次開(kāi)發(fā)的插件可方便地從三維蝸殼實(shí)體得到平面圖、剖面圖及蝸殼單線(xiàn)斷面數(shù)據(jù)表(見(jiàn)圖16)。因?yàn)槟壳?CATIA的二維標(biāo)注模塊較AutoCAD相比有許多不便之處,筆者建議先在 CATIA中完成平面和剖面的輪廓示圖。

圖14 引用蝸殼橫截面 UDF后的 3D模型

圖15 蝸殼 3D模型

圖16 CATIA繪圖模塊中直接得到的蝸殼單線(xiàn)圖

值得一提的是,當(dāng)我們需要新的廠(chǎng)家蝸殼三維模型及其表面積、體積等數(shù)據(jù)時(shí),只需把已建好的零件(“A 000SG SpiralCase”)背后支持的 excel表格數(shù)據(jù)作出調(diào)整,那么該三維模型及與之關(guān)聯(lián)的二維圖即會(huì)作出相應(yīng)的更新(見(jiàn)表3)。

表3 三家蝸殼 3D模型及其關(guān)聯(lián)的 excel表

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)蝸殼三維結(jié)構(gòu)分析,建立典型橫斷面UDF模板,應(yīng)用宏命令直接快速地讀入 UDF模板后自動(dòng)生成蝸殼三維橫斷面模型,再通過(guò)簡(jiǎn)單的“多截面拉伸”命令得到蝸殼三維實(shí)體模型。模型一經(jīng)建立,每次建?；蛐薷哪Ｐ蜁r(shí)僅需調(diào)用 excel參數(shù)表修改數(shù)據(jù),則自動(dòng)形成所需的蝸殼模型,大大節(jié)約了原來(lái)手工建立三維模型及修改模型的時(shí)間。

利用 CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)特性及宏命令建立蝸殼三維模板,方便快捷,且使用性強(qiáng),與常規(guī)三維實(shí)體建模相比,明顯具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)可以方便地提取實(shí)體模型的表面積、體積等幾何參數(shù),同時(shí)也很方便地為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)平臺(tái),如蝸殼彈性墊層設(shè)計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變分析等。

(2)需要更新模型時(shí),只需要更新該模型支持的 excel表格中的數(shù)據(jù)即可。

(3)基于該三維模型生成的二維圖形也相應(yīng)調(diào)整,只需要稍作加工整理便可出圖。