基于UG二次開發(fā)的螺旋進(jìn)氣道的參數(shù)化設(shè)計(jì)*

徐國(guó)棟 錢良輝

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院云南昆明650224）

基于UG二次開發(fā)的螺旋進(jìn)氣道的參數(shù)化設(shè)計(jì)*

徐國(guó)棟 錢良輝

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院云南昆明650224）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道螺旋曲面特征，提出一種進(jìn)氣道參數(shù)化三維造型方法，綜合運(yùn)用UG二次開發(fā)工具，構(gòu)建點(diǎn)，建立進(jìn)氣道曲線方程，通過曲線構(gòu)建曲面并編輯，開發(fā)出進(jìn)氣道三維參數(shù)化自動(dòng)建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)給定參數(shù)自動(dòng)快速建立參數(shù)化模型，達(dá)到CAD/CAE的集成，為后續(xù)分析工作提供支持。

UG螺旋進(jìn)氣道二次開發(fā)參數(shù)化

引言

在柴油機(jī)的發(fā)展過程中，進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、燃燒室形狀三者的相互配合是決定燃燒過程的關(guān)鍵因素[1]。柴油機(jī)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)直接決定了柴油機(jī)的進(jìn)氣流動(dòng)和充氣系數(shù)，影響柴油機(jī)混合氣形成和燃燒過程，進(jìn)而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、噪聲和排放性能[2]，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自主創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)之一。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)時(shí)、全自動(dòng)化構(gòu)建進(jìn)氣道的三維模型是這方面的更高體現(xiàn)，而采用UG二次開發(fā)的方法進(jìn)行自動(dòng)建模是最合適的方法。本文綜合運(yùn)用UG二次開發(fā)工具GRIP和API提供的相關(guān)函數(shù)構(gòu)造點(diǎn)線面，通過Visual C++編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道螺旋曲面的創(chuàng)建與裁剪，并將其集成到UG軟件中，開發(fā)建立了一套完整的柴油機(jī)進(jìn)氣道三維參數(shù)化自動(dòng)建模系統(tǒng)，使之輸入相關(guān)參數(shù)就可以快速精確地生成進(jìn)氣道模型，以提高進(jìn)氣道自由曲面重構(gòu)的自動(dòng)化程度，為后續(xù)的流體力學(xué)分析提供準(zhǔn)確的分析模型。

1 UG二次開發(fā)工具

參數(shù)化建模系統(tǒng)的開發(fā)綜合運(yùn)用UG/Open－MenuSript、UG/Open UIStyler、UG/Open API和VisualC++等UG二次開發(fā)技術(shù)。利用UG/Open MenuScript編寫用戶菜單，直接嵌套在UG系統(tǒng)的主菜單上，形成與UG融合統(tǒng)一的界面；利用UG/Open UIStyler制作UG風(fēng)格的對(duì)話框，供用戶萊單調(diào)用；利用Grip編寫簡(jiǎn)單的點(diǎn)線面的建模程序，利用Visual C++和UG/Open API編寫較復(fù)雜的建模和曲面編輯方面的程序。

其中，Grip和API編程要相互調(diào)用，前期比較簡(jiǎn)單的建模利用Grip編寫，后期比較復(fù)雜的建模和編輯利用API編寫，用Visual C++和API編寫的程序生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library）文件，在Grip需要時(shí)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)UG的底層開發(fā)。本文使用到Grip調(diào)用API的方法，首先Grip向API傳遞參數(shù)，傳遞函數(shù)為grargs和xspawn；其次，API接收Grip傳遞過來的參數(shù)，函數(shù)為UF_ask_grip_args（GRIP_ARG_COUNT，grip_arg_list）；最后API將得到的參數(shù)返回到Grip中，函數(shù)為UF_set_grip_args（GRIP_ARG_COUNT，grip_arg_list）。

2 進(jìn)氣道參數(shù)化建模

進(jìn)氣道呈復(fù)雜螺旋表面結(jié)構(gòu)，在三維造型過程中定義較少截面很難準(zhǔn)確描述氣道外形，若截面過多又影響表面光順性，很難保證面面相切或銜接處的曲面質(zhì)量。本文采用由點(diǎn)創(chuàng)建線，由線生成面，再編輯面，最后生成實(shí)體的方法進(jìn)行建模編程。

2.1 參數(shù)的設(shè)置

參數(shù)選擇是進(jìn)氣道三維成型的基礎(chǔ)和難點(diǎn)，參數(shù)設(shè)置不僅要從建模方面考慮，還要涉及氣道流動(dòng)特性方面的要求，本文暫時(shí)只考慮建模的方便進(jìn)行設(shè)置，待后期流體力學(xué)分析后再做調(diào)整。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道參數(shù)暫時(shí)選擇進(jìn)氣道口、引導(dǎo)管、螺旋蝸殼、氣門室高度、進(jìn)氣道喉口以及進(jìn)氣門座圈等。各段代號(hào)以及需要輸入的參數(shù)如圖1所示，一些關(guān)鍵點(diǎn)和曲線是由所輸入的參數(shù)通過GRIP計(jì)算生成。其中進(jìn)氣道口包括入口寬度W、入口高度H、長(zhǎng)度位置L1、寬度位置W1、高度位置H1；直流段導(dǎo)向部分包括外曲率半徑R_w、內(nèi)曲率半徑R_n和氣門桿導(dǎo)向凹臺(tái)直徑相切自動(dòng)生成、上曲率半徑R_s、下曲率半徑R_x和上曲率半徑相等；氣門座圈部分包括氣門座圈長(zhǎng)度位置q_x、寬度位置q_y、氣道喉口直徑q_DIAMETR、氣門桿導(dǎo)向凹臺(tái)直徑k_DIAMETR，高度q_h、氣缸直徑c_DIAMETR；螺旋蝸殼部分包括螺旋包角大小α。

圖1 進(jìn)氣道參數(shù)圖

2.2 曲線的生成

在輸入?yún)?shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給定默認(rèn)值，也可手動(dòng)輸入?yún)?shù)值，或者手動(dòng)加載設(shè)置好的參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)輸入的參數(shù)經(jīng)過計(jì)算實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的曲線，滿足要求后進(jìn)入下一步。曲線的生成有的是通過函數(shù)直接生成，例如圓和直線，而復(fù)雜的曲線如直流段導(dǎo)向曲線和螺旋線等是先求點(diǎn)，再通過點(diǎn)生成樣條曲線。參數(shù)輸入和調(diào)整后曲線生成如圖2所示。本文只介紹圖2中l(wèi)x_w和linlx_n兩條具有代表性的樣條曲線的計(jì)算方法，其它曲線不再重復(fù)。

圖2 由參數(shù)生成進(jìn)氣道主要曲線

直流段導(dǎo)向曲線linlx_n的計(jì)算如下：曲線linlx_n是一條正面投影和水平面投影都是圓弧的空間樣條曲線，正面投影是wai_yuan，水平投影是nei_yuan，兩個(gè)投影的圓的相交曲線就是lin_w2。首先，計(jì)算水平投影和正面投影的圓的方程。根據(jù)已知條件和約束條件，其正面投影半徑為上曲率半徑R_s，通過入口矩形頂點(diǎn)且垂直于入口矩形平面，所以正面投影圓方程為：

wai_yuan=CIRCLE/CENTER，pt7，RADIUS，R_w，START，270，END，300

其中pt7為求出的圓心；其水平面投影通過入口矩形頂點(diǎn)，與氣門桿導(dǎo)向凹臺(tái)圓相切，而且垂直于入口矩形所在的平面，所以可以計(jì)算出水平投影半徑為：

其中pt6為求出的圓心。其次，通過水平投影和正面投影的圓上的離散點(diǎn)的坐標(biāo)求曲線上10個(gè)離散點(diǎn)的坐標(biāo)。方法是沿x軸方向取10個(gè)等分點(diǎn)，每個(gè)離散點(diǎn)的x方向的坐標(biāo)就是等分點(diǎn)的x坐標(biāo)值，y坐標(biāo)是x值對(duì)應(yīng)的nei_yuan曲線上y坐標(biāo)值，z坐標(biāo)值就是x值對(duì)應(yīng)的wai_yuan曲線上的z坐標(biāo)值，三個(gè)坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)ppp就是曲線lin_w2上的一個(gè)點(diǎn)，這樣就得到了曲線lin_w2上十個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)了，用樣條曲線將十個(gè)點(diǎn)連起來，就是曲線lin_w2。最后GRIP編程如下：

螺旋線lx_w的計(jì)算如下：已知參數(shù)只有螺旋包角α。從螺旋線lx_w的水平投影來看，是阿基米德螺旋線，其上端要和直流段導(dǎo)向曲線相切；從螺旋線lx_w的正面投影來看，螺距是變化的，上面小，下面大，下端點(diǎn)在螺旋包角直線上。通過反復(fù)調(diào)試，確定了變螺距阿基米德螺旋線的方程。求10個(gè)離散點(diǎn)pppp（10）的坐標(biāo)，連接成樣條曲線lx_w，程序如下。其中R_pp為下端點(diǎn)所在圓的半徑，可用螺旋包角求得，xyz3（3）為螺旋線下端點(diǎn)的z坐標(biāo)，ANG1為水平投影上螺旋線上端點(diǎn)與圓心連線l（9）的角度。

2.3 自由曲面的生成

自由曲面的生成是指通過曲面造型的方式將曲線構(gòu)建成曲面的方法。[3]在GRIP中，常用的方法有掃掠曲面（SSURF），曲線網(wǎng)格生成自由曲面（SSURF），曲線網(wǎng)格法生成B-曲面（BSURF），掃掠法生成B-曲面（BSURF）等。在UG/Open API中常用的造型方法有直紋面（rule），通過曲線組（through curves），通過曲線網(wǎng)格（through curves mesh），掃掠曲面（swept）等。限于GRIP的局限性，GRIP曲面造型中不能使用邊界約束，而UG/Open API中大部分曲面造型可添加邊界約束，更靈活多變，所以進(jìn)氣道造型需要兩種方法混合造型。由曲線生成曲面后如圖3所示。

圖3 由曲線生成的曲面

上螺旋面surf_lx的創(chuàng)建方法：將外螺旋線和引導(dǎo)線連接為一條樣條曲線l_s_w，同樣方法得到樣條曲線l_s_n，在外螺旋線和內(nèi)螺旋線上插入10個(gè)點(diǎn)，并鏈接為9條直線l（9），以l_s_w和l_s_n作為主要曲線，li1，l（9）和l（20）作為交叉曲線，創(chuàng)建網(wǎng)格曲面surf_lx，surf_lx=SSURF/PRIMA，l_s_w，l_s_n，CROSS，li1，l（9），l（20）。創(chuàng)建過程如圖4所示。

圖4 上螺旋面創(chuàng)建過程

用同樣的方法可以得到外包曲面（sur_w1）的創(chuàng)建方法，如圖5所示：sur_w1=SSURF/PRIMA，l_s_w，l_x_w，CROSS，li2，SPLN2，SPLN（3），SPLN1。

圖5 外包曲面的創(chuàng)建

橋接曲面的創(chuàng)建方法：由于橋接曲面涉及到邊界的相切約束，所以使用Grip調(diào)用API的方法，在API中進(jìn)行創(chuàng)建。過程如下：

首先求曲面sur_w1_1與平面s_dy_1的交線jx，使用函數(shù)為：

然后求交線jx的橋接線qjx，使用函數(shù)為：

最后創(chuàng)建網(wǎng)格曲面，函數(shù)為：

創(chuàng)建過程如圖6所示。

圖6 橋接曲面的創(chuàng)建

2.4 曲面的修剪

在進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)過程中，曲面的修剪主要包括根據(jù)邊界線對(duì)曲面進(jìn)行裁剪和根據(jù)面與面的交線對(duì)曲面裁剪兩類。其中根據(jù)面與面的交線進(jìn)行裁剪是主要方法。求曲面的交線和曲面的修剪都需要在API中編程，提取相交曲面交線的二次開發(fā)函數(shù)為UF_CURVE_create_int_object，裁剪曲面函數(shù)為UF_MODL_trim_sheet。如圖7所示為曲面裁剪前后的對(duì)比。

圖7 裁剪前后對(duì)比

2.5 曲面的縫合與倒圓角

縫合是將片體與片體合并為一個(gè)片，如果所縫合片體能形成封閉的區(qū)域，可以生成實(shí)體圖形。將曲面縫合后可以簡(jiǎn)化后續(xù)造型，比如倒圓角，縫合后只需使用邊倒圓。縫合與倒圓角都在API中編程實(shí)現(xiàn)，縫合函數(shù)為UF_MODL_create_sew（option，num_targets，targets，num_tools，tools，tolerance，type_body，&d isjoint_list，&sew），倒圓角函數(shù)為UF_MODL_create_blend（blend_radius，edge_list，blend_smooth_over flow，blend_cliff_overflow，blend_notch_overflow，blen d_vrb_tool，&blend_obj_id）。倒角后的進(jìn)氣道如圖8所示。

圖8 創(chuàng)建倒角

3 程序運(yùn)行實(shí)例

3.1 程序運(yùn)行

GRIP編譯的grx文件和VC++編譯的DLL文件在UG中作為一個(gè)插件運(yùn)行，可以通過UG的相應(yīng)菜單或者工具條調(diào)取，如圖9為嵌入式菜單，圖10為程序運(yùn)行界面。

下面通過輸入不同的參數(shù)來檢驗(yàn)程序的可行性。圖11至圖13分別為改變螺旋進(jìn)氣道的螺旋角、入口平面位置、氣門桿導(dǎo)向凹臺(tái)高度所生成的不同氣道設(shè)計(jì)方案。

圖9 程序運(yùn)行界面

圖10 參數(shù)輸入界面

圖11 一組不同螺旋角參數(shù)的進(jìn)氣道

圖12 一組不同入口平面位置參數(shù)的進(jìn)氣道

3.2 曲面的光順性分析

圖13 改變氣門桿導(dǎo)向凹臺(tái)高度參數(shù)

車身A級(jí)曲面的評(píng)價(jià)方法包括控制頂點(diǎn)、斑馬線、曲率梳等，對(duì)于車身整體的光順性一般采用斑馬線來評(píng)價(jià)。[4]本節(jié)利用UG的“斑馬線”命令對(duì)曲面的光順性進(jìn)行檢查，曲面的斑馬線圖如圖14所示．

由圖14可以看出，由于曲面的形成是一體式造型形成的，表面的斑馬線相連，在連接處有過渡，沒有產(chǎn)生尖銳的拐角，也沒有發(fā)生錯(cuò)位，可以判斷氣道模型實(shí)現(xiàn)了良好的連續(xù)，所以曲面的光順性是很好的。

圖14 曲面光順性分析

4 結(jié)束語

根據(jù)螺旋進(jìn)氣道的特點(diǎn)，研究了設(shè)計(jì)參數(shù)的選定和設(shè)計(jì)步驟等問題，并應(yīng)用UG支撐軟件的二次開發(fā)工具以及VC語言編制了有關(guān)的應(yīng)用軟件。通過輸入不同的參數(shù)即可得到不同的氣道模型。

采用先計(jì)算生成曲線，再生成曲面，使得氣道的導(dǎo)向部分和螺旋室部分一體化，最后修剪曲面、合并、倒角，較好地解決了以往難以整體生成理想的氣道外形的問題。

1姜水生，朱思巍，黃舒平．柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道數(shù)字化設(shè)計(jì)參數(shù)分析[J]．南昌大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2012，34（2）：160～164

2Edresh，Neuber HJ，Wurmsr.Influence of swirl and tumble on economy and emission of multi-valve SI engines[C]．SAE Paper 920516

3晁永生，劉海江，孫文磊.以UG為平臺(tái)的逆向工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J].現(xiàn)代制造工程，2010（1）：30～32

4徐家川，雷雨成，洪英武，等．逆向工程中車身A級(jí)曲面的評(píng)價(jià)方法[J]．汽車技術(shù)，2007（4）：4～8

Parametric Design of Spiral Inlet Based on Secondary UG Development

Xu Guodong，Qian Lianghui
College of Mechanics and Transportation，Southwest Forestry University（Kunming，Yunnan，650224，China）

With consideration of the spiral surface of the engine，a parametric three dimensional modelling of inlet is proposed in this paper.Various tools of secondary UG development are employed comprehensively to construct points and to establish inlet surface equations.The automatic modelling system is developed by constructing and editing the surface.The modelling system integrating CAD/CAE can build parametric models automatically and quickly based on given parameters，which provides effective support for analysis afterwards.

UG，Spiral inlet，Secondary development，Parameterization

TK402

A

2095-8234（2014）05-0050-05

2014-07-15）

云南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目一般項(xiàng)目（2012Y219）。

徐國(guó)棟（1976-），男，副教授，主要研究方向?yàn)檐囕v數(shù)字化制造技術(shù)。