CATIA在水輪發(fā)電機組設(shè)計中的運用

朱 潔

（中國東方電氣集團有限公司中央研究院，四川成都，611731）

運用TOP-DOWN設(shè)計方法將參數(shù)模型建立在骨架基礎(chǔ)上，使零件設(shè)計基于參數(shù)和骨架定位的關(guān)系。TOP-DOWN設(shè)計首先采用三維空間坐標點、樣條線、多截面曲面把整機框架設(shè)計好，然后結(jié)合幾何體骨架技術(shù)設(shè)計相關(guān)部套骨架，最后進行零件實體設(shè)計。在預(yù)裝配的數(shù)字樣機上即可檢查干涉和修改設(shè)計中的不協(xié)調(diào)，使設(shè)計不斷優(yōu)化。

1 總體骨架設(shè)計

設(shè)計水輪機總體骨架，機組參數(shù)設(shè)置方案有制定水機流道圖、大部套之間配合面、導(dǎo)葉布置圖、接口尺寸、重要關(guān)聯(lián)尺寸。確定機組的主要參數(shù)包括轉(zhuǎn)輪直徑D(mm)、額定出力Nt(kW)、額定轉(zhuǎn)速n(r/min)、主軸參數(shù)、抬機量(mm)、主軸密封參數(shù)、水導(dǎo)軸承參數(shù)、導(dǎo)葉布置圖參數(shù)、部套間緊固件參數(shù)。

發(fā)電機總體骨架，采用Insert Body骨架Publication設(shè)計方法，機組參數(shù)設(shè)置方案包括計算發(fā)電機總裝高層位置、各部套位置尺寸及各部套把合螺栓位置。確定機組的主要參數(shù)包括總裝參數(shù)、重要高程參數(shù)、定子參數(shù)、轉(zhuǎn)子參數(shù)、軸承參數(shù)、上機架參數(shù)、下機架參數(shù)、輔助部套參數(shù)。

（左）水輪機骨架（右）發(fā)電機骨架

2 主要部套設(shè)計

2.1 水輪機部套

2.1.1 轉(zhuǎn)輪裝配三維模板設(shè)計

利用CATIA的參數(shù)化設(shè)計，以混流式為例在同型號轉(zhuǎn)輪三維模板的設(shè)計中流道、葉片的三維實體模型可進行比例縮放；在不同型號轉(zhuǎn)輪三維模板的設(shè)計中主軸根據(jù)傳遞扭矩，采用參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計，在公式編輯器中做修改便能快速生成新的三維模型。上冠、下環(huán)采用對截面草圖及Design Table進行調(diào)整的方法就能快捷、直觀地完成新的上冠、下環(huán)模型。

2.1.2 主軸的計算

通過添加Parameters和Relations計算得到主軸直徑，當轉(zhuǎn)輪直徑改變時通過CATIA公式編輯器計算，便得到相應(yīng)參數(shù)驅(qū)動模型變形。主軸計算參數(shù)：額定出力Nt（KW）、額定轉(zhuǎn)速、主軸軸徑上限、主軸軸徑下限、主軸軸徑修正值等。

主軸計算公式編輯為：

主軸傳遞扭矩

f(x)=round(97400*‘主軸計算參數(shù)額定出力Nt(KW)’/‘主軸計算參數(shù)額定轉(zhuǎn)速’/1000)/100

主軸軸徑（Dz）

f(x)=round((‘主軸計算參數(shù)主軸軸徑上限’+‘主軸計算參數(shù)主軸軸徑下限’)/2mm)*1mm+‘主軸計算參數(shù)主軸軸徑修正值’

主軸法蘭轉(zhuǎn)輪端直徑（Df）

f(x)=‘主軸參數(shù)主軸軸徑（Dz）’+‘主軸參數(shù)主軸轉(zhuǎn)輪把合螺栓直徑’*5-15mm

主軸設(shè)計運用主軸參數(shù)關(guān)聯(lián)EXCEL設(shè)計表，添加了參數(shù)關(guān)系的尺寸由設(shè)計表數(shù)據(jù)控制就可以逐漸在EXCEL設(shè)計表中存放一系列的數(shù)據(jù)，使模板設(shè)計內(nèi)容不斷豐富起來。

主軸扭矩曲線和參數(shù)設(shè)計表

2.1.3 轉(zhuǎn)輪葉片模型

轉(zhuǎn)輪葉片模型設(shè)計是由幾百個空間坐標點連成樣條線構(gòu)成多截面曲面后生成零件實體?？臻g坐標點輸入Excel表，用Visual Basic及宏命令導(dǎo)入CATIA。當坐標點連成樣條線時便能清晰地看出截面形線的光順度，這時可以對曲面設(shè)計進行優(yōu)化。為了提高葉片曲面模型設(shè)計中葉片表面質(zhì)量為數(shù)控加工做準備，需要建立幾何圖形集把多截面曲面化分出更細致的輪廓線和引導(dǎo)線，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面。最后由優(yōu)化后的曲面橋接、結(jié)合成封閉曲面生成實體葉片。

混流式和軸流轉(zhuǎn)漿式轉(zhuǎn)輪三維模型

2.1.4 導(dǎo)水機構(gòu)

Catia在導(dǎo)水機構(gòu)設(shè)計時可使用參數(shù)修改，觀察導(dǎo)葉在不同開度時大耳孔行程，并做出大耳孔行程和導(dǎo)葉開度的關(guān)系曲線圖。通過Product Engineering Optimizer和Run Optimization產(chǎn)生活動導(dǎo)葉立面密封的最佳搭接位置，當調(diào)節(jié)活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角參數(shù)時活動導(dǎo)葉會旋轉(zhuǎn)到全關(guān)或全開位置。三維動態(tài)分析實現(xiàn)了空間尺寸的精確測量和工藝的優(yōu)化。

軸流式水輪機導(dǎo)水機構(gòu)

貫流式水輪機導(dǎo)水機構(gòu)

2.2 發(fā)電機部套

2.2.1 定子轉(zhuǎn)子模型設(shè)計

定子機座采用Generative Sheetmetal Design設(shè)計，可方便鈑金展開后在數(shù)控機床上進行下料。定子鐵芯沖片、轉(zhuǎn)子磁軛采用單實體建模，節(jié)省軟件占用內(nèi)存。定子線圈采用Generative Shape Design和知識模板建模，通過Knowledge Advisor的Loop命令將visual basic設(shè)計程序融入產(chǎn)品模型設(shè)計。轉(zhuǎn)子主軸承受額定轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子支架主要承受額定轉(zhuǎn)矩、重力、磁極及磁軛、轉(zhuǎn)子支架本身離心力及熱打鍵徑向配合力。catia模型的建立直接影響強度和剛度分析的結(jié)果。

定子和轉(zhuǎn)子三維模型

2.1.2 上機架、下機架模型設(shè)計

機架定位面在總體骨架設(shè)計時便已確定，將publish的高程面載入部套設(shè)計。發(fā)電機上、下機架、推力軸承、導(dǎo)軸承可建立通用件模型庫。在top-down設(shè)計中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變通過控制結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)實現(xiàn)，參數(shù)改變將由Formula計算被自動傳遞到子系統(tǒng)設(shè)計。

上下機架及軸承三維模型

3 產(chǎn)品設(shè)計知識庫

CATIA的Catalog Browser可以將軸承、閥門、標準件、通用件等在庫編輯器形成不同型號參數(shù)的session document，形成知識模板User Feature輸出，可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升設(shè)計手段，縮短設(shè)計周期。

運用CATIA三維設(shè)計軟件的用戶定義的知識模板和Knowledge Advisor設(shè)計重要部套，通過用戶交互模型建立知識工程庫。利用由Knowledgeware模塊提供的函數(shù)功能、高級測量、方程式建立和參數(shù)關(guān)系管理工具獲取的知識可以用在協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)中，豐富產(chǎn)品開發(fā)流程。Knowledge Advisor模塊下Parameters Explore在設(shè)計中的靈活使用，使產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計及技術(shù)革新在產(chǎn)品開發(fā)階段得以實現(xiàn)。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機組

軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組（左）水機部分 （右）電機部分

4 結(jié)論

CATIA三維top-down設(shè)計把結(jié)構(gòu)的設(shè)計用參數(shù)的形式進行控制，在不同的型號的零部件設(shè)計中，不用重新繪制三維模型，只須輸入變化的控制數(shù)據(jù)就可以進行變形設(shè)計，節(jié)約設(shè)計時間，從而達到把更多設(shè)計時間用于優(yōu)化設(shè)計方面。CATIA三維建模使結(jié)構(gòu)分析、重量計算、干涉檢測、運動仿真和數(shù)字加工在設(shè)計過程中模擬完成，節(jié)省了材料和生產(chǎn)費用。Catalog Browser和design table的使用為設(shè)計數(shù)據(jù)庫的建立打下了基礎(chǔ)，CATIA三維軟件建立的設(shè)計技術(shù)交流共享平臺，適時更新的數(shù)據(jù)為相互關(guān)聯(lián)的部套設(shè)計提供更好的參照，為企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約了成本。

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