基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的車載吸塵器優(yōu)化設(shè)計與制造*

莫文鋒，李伍強(qiáng)，韋欽南

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

虛擬樣機(jī)技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代，是基于計算機(jī)技術(shù)、CAX、DFX一種新型的設(shè)計方法。在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程中發(fā)揮重要作用，其通過建立數(shù)字化模型、虛擬裝配、仿真，極大提高了設(shè)計過程的直觀性和可視化，能夠有效檢驗零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度，快速查出干涉的裝配結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)，從而確保機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配的合理性和有效性。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，研究了車載吸塵器虛擬樣機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

1 車載吸塵器工作原理

車載吸塵器接通電源后，電動機(jī)高速運行，驅(qū)動風(fēng)機(jī)葉輪將葉輪中的空氣從吸塵器排氣倉口高速排出，此時吸塵倉內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)，吸塵倉內(nèi)氣壓極低，與外界形成很高的壓力差，產(chǎn)生較強(qiáng)的空氣吸力。塵埃、雜物通過吸嘴隨空氣被吸入吸塵倉，并經(jīng)過濾器過濾，將塵埃、雜物收集在塵筒倉內(nèi)。

2 車載吸塵器的設(shè)計

2.1 基于Rhino軟件的車載吸塵器外觀三維造型設(shè)計

手繪創(chuàng)意設(shè)計：根據(jù)市場主體消費人群的需求，將該款吸塵器設(shè)計成整體造型圓潤、光滑流暢、簡潔大方的流線形態(tài)。吸納倉成鴨嘴型的仿生設(shè)計，不僅外觀靈動，還增大了吸塵力度，形態(tài)和功能得到完美結(jié)合。在使用過程中可根據(jù)吸取不同的物品更換不同功能的吸頭。手持部位根據(jù)人機(jī)工程學(xué)及產(chǎn)品設(shè)計原則進(jìn)行設(shè)計，既保證造型美觀，又滿足使用過程中的強(qiáng)度要求和把持手感。車載吸塵器手繪創(chuàng)意設(shè)計如圖1所示。

圖1 車載吸塵器手繪創(chuàng)意設(shè)計圖

運用Rhino軟件的車載吸塵器外觀三維造型設(shè)計：根據(jù)手繪創(chuàng)意設(shè)計方案，利用Rhino曲面造型工具進(jìn)行構(gòu)造曲面，用Surface Analyze工具中Zebra Stripe斑馬條紋分析、Gaussian高斯曲率分析、Curvature Circle曲率分析等命令分析曲面及曲面間的連續(xù)性，并根據(jù)需要調(diào)整曲面控制點，優(yōu)化曲面質(zhì)量及光順度。車載吸塵器外觀三維造型如圖2所示。

圖2 車載吸塵器外觀三維造型圖

2.2 吸塵器葉輪設(shè)計

葉輪是車載吸塵器的最重要部件，吸塵器能否獲得所需要的真空度和風(fēng)量，與葉輪的設(shè)計有極大關(guān)系。根據(jù)吸塵器的機(jī)體外形特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計成后向式圓弧葉片、弧形前盤的葉輪。

2.2.1 葉輪的理論設(shè)計

理想葉輪（即無限葉片的葉輪）理論真空度的空氣動力學(xué)歐拉方程式為：

其中：ρ為空氣密度（kg/m3），u2為葉輪出口圓周速度（m/s），u1為葉輪入口圓周速度（m/s），C2u為葉輪出口絕對圓周分速度（m/s），C1u為葉輪入口絕對圓周分速度（m/s）。

車載吸塵器工作時，氣體垂直進(jìn)入葉片，即有C1u=0，C2u=u2-C2rctgβ2A，則

其中：C2r為葉輪出口的絕對徑向分速度（m/s），β2A為葉片的出口安裝角度（°）。

流經(jīng)葉輪的理論風(fēng)量為QT=πD2b2C2r，則

其中：QT為吸塵器的理論風(fēng)量（m3/s），D2為葉輪出口直徑（m），b2為出口寬度（m）。

將（3）式帶入（2）式得：

2.2.2 葉輪氣動力設(shè)計計算

以上我只指出及拋出很多問題而未講及讀音上的原則和概念或解決方法, 因為我會在以后的篇章中逐一作較深入的討論，今天就說到這里。

本款車載吸塵器的設(shè)計真空度HN=6000Pa，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=29000r/min，根據(jù)相關(guān)氣動力方程進(jìn)行計算，確定葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（1）初步確定葉片出口安裝角

電機(jī)轉(zhuǎn)速n和葉輪出口直徑D2恒定的情況下，吸塵器的真空度與安裝角β2A成正比關(guān)系。一般初算值取15°-40°。

（3）計算葉輪出口圓周速度u2

（4）計算葉輪出口直徑D2

（5）選定葉輪直徑D1

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，D1/D2值在0.25-0.5之間選定，吸塵器的效率達(dá)到比較理想狀態(tài)，在此D1/D2值選定0.4，即

（6）計算葉輪葉片數(shù)Z

取整數(shù)即Z=8。

（7）計算葉輪入口寬度B1

其中，D0為電機(jī)轉(zhuǎn)軸直徑；ξ1為入口速比系數(shù)，ξ1取0.5-0.9；μ1為入口氣流充滿系數(shù)，μ1取0.7-1。

（8）計算葉輪入口寬度B2

2.2.3 葉輪三維建模

根據(jù)設(shè)計計算得到的葉輪幾何參數(shù)D1=0.026m，D2=0.066m，B1=0.013m，B2=0.0067m，Z=8和Bezier曲線進(jìn)行三維建模，如圖3所示。

圖3 車載吸塵器葉輪三維模型圖

2.3 基于NX 1847軟件的車載吸塵器主體倉設(shè)計

根據(jù)車載吸塵器的工作原理，吸塵器主體倉主要部件有主體倉殼體、葉輪、電機(jī)、充電電池、開關(guān)、吸納倉卡扣。運用NX 1847軟件對主體倉殼體進(jìn)行建模，其中包括抽殼完成型腔構(gòu)建、進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口構(gòu)建，電機(jī)、開關(guān)、充電電池卡位結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；對葉輪、電機(jī)、充電電池、吸納倉卡扣進(jìn)行三維建模。在NX 1847軟件裝配功能模塊中，將主體倉殼體、葉輪、電機(jī)、充電電池、開關(guān)、吸納倉卡扣模型進(jìn)行虛擬裝配，如圖4所示。

圖4 車載吸塵器主體倉裝配圖

3 3D打印模型制造

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱為增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。利用3D打印技術(shù)對車載吸塵器模型進(jìn)行打印，打印機(jī)類型為熔融沉積3D打印機(jī)，打印材料為ABS，切片軟件為UPstudio。采用熔融沉積制造工藝，是將熱塑性絲狀材料送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱融化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，層層堆積而成。

車載吸塵器模型打印過程如下：啟動3D打印機(jī)并初始化系統(tǒng)，預(yù)熱成型平臺，安裝打印材料，校準(zhǔn)打印機(jī)噴頭高度，將STL數(shù)字模型導(dǎo)入切片軟件，檢驗修復(fù)模型顯示，調(diào)整并確定最優(yōu)打印方位，調(diào)整設(shè)置打印參數(shù)，切片軟件自動進(jìn)行離散分層計算并生成加工路徑。將分層后的數(shù)據(jù)傳給打印機(jī)即可開始打印。打印完成后，將打印平臺取出，用鏟刀將模型鏟下，進(jìn)行去除支撐、打磨表面、拋光等后處理工作，最終的打印模型，如圖5所示。

圖5 車載吸塵器的3D打印模型圖

4 結(jié)束語

在車載吸塵器的設(shè)計中，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對外觀造型進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計，利用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品部件參數(shù)化設(shè)計，通過3D打印快速成型產(chǎn)品模型。從產(chǎn)品設(shè)計到成型整個過程達(dá)到縮短開發(fā)周期和提高研發(fā)效率的目的。