基于UG的自吸離心泵的三維實(shí)體造型研究

李廣義，周朝暉(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

基于UG的自吸離心泵的三維實(shí)體造型研究

李廣義，周朝暉
(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

文章根據(jù)某型自吸離心泵的二維圖紙，結(jié)合UG NX 8.0軟件強(qiáng)大的三維實(shí)體造型能力，建立該泵三維實(shí)體模型。為對其下一步的振動模態(tài)分析和流體力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。同時，高質(zhì)量的離心泵三維實(shí)體模型與當(dāng)前迅猛發(fā)展的3D打印技術(shù)相結(jié)合，也為傳統(tǒng)離心泵的生產(chǎn)制造提供新的思路。

自吸離心泵；UG NX 8.0；蝸殼；三維造型

1 概述

UG是由美國UGS公司推出的功能強(qiáng)大的三維CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模型與仿真、工程圖輸出，到產(chǎn)品加工成產(chǎn)品的全過程，應(yīng)用范圍涉及航空航天、汽車、機(jī)械、造船、通用機(jī)械、數(shù)控(NC)加工、醫(yī)療器械和電子等諸多領(lǐng)域[1]。

離心泵由于其具有性能廣泛、流量均勻、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉和日常生活之中。但離心泵因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)原因，不具備自吸能力，在啟動前需預(yù)先灌水，很不方便，限制其使用的場合。而自吸離心泵，顧名思義就是在泵啟動前不需要灌水就能夠正常工作的離心泵，彌補(bǔ)了普通離心泵的不足之處。

自吸離心泵的種類較多，狹義上的自吸離心泵主要指通過改變泵體結(jié)構(gòu)使得其具有抽真空能力的離心泵(氣液混合式自吸泵)。氣液混合式自吸泵根據(jù)其液體和氣體在泵中混合位置的不同，又分為內(nèi)混式和外混式[2]。本文中所研究的自吸離心泵就屬于外混式自吸泵[3]。

在離心泵的生產(chǎn)制造過程中，設(shè)計出的離心泵并不能直接投入生產(chǎn)制造，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)泵的水力圖制成模型，通過模型的反復(fù)試驗(yàn)來確定泵的最終數(shù)據(jù)[4]。該方法過程較長且制作成本較高。隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)離心泵的二維水力圖建立三維模型對離心泵進(jìn)行分析優(yōu)化的方法越來越廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)自吸離心泵的二維水力圖數(shù)據(jù)，在以往利用Pro/E[5]和CATIA[6]等軟件建模的經(jīng)驗(yàn)上，結(jié)合UG NX 8.0軟件強(qiáng)大的三維建模能力，對該泵的泵體、葉輪、泵蓋等部件進(jìn)行三維造型設(shè)計，為后期對該泵的模態(tài)分析和實(shí)際生產(chǎn)制造奠定基礎(chǔ)[7]。

2 自吸離心泵泵體的三維造型設(shè)計

2.1自吸離心泵泵體分析

由該自吸離心泵的的二維圖紙可以看出，該泵的泵體主要由2部分組成：一是蝸殼，作為流體的主要過流部分，通過與葉輪間的旋轉(zhuǎn)配合，達(dá)到使液體增壓而輸送出去的目的，它直接影響到了離心泵的效率和水力性能[8]，蝸殼的三維造型設(shè)計主要根據(jù)泵體木模各截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行；二是外面的殼體，主要起儲存、輸送液體和支撐的作用，由于該泵具有自吸能力，因此其與普通離心泵在結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，造型也更加復(fù)雜。對該泵泵體的三維造型設(shè)計主要分為2步進(jìn)行：首先，根據(jù)泵體木模的二維水力圖紙建立起蝸殼的三維模型；其次，在蝸殼的基礎(chǔ)上，對泵的殼體部分進(jìn)行三維實(shí)體造型。由于蝸殼其呈螺旋狀的復(fù)雜形狀，因此蝸殼的建模是整個離心泵建模的難點(diǎn)，其建模質(zhì)量會對以后的分析和生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響[9]。

2.2自吸離心泵蝸殼部分的三維造型

蝸殼的水力圖主要由蝸殼的平面圖和截面圖組成。在利用UG NX 8.0進(jìn)行三維實(shí)體建模時，主要根據(jù)截面造型和沿蝸殼線掃掠的基本思路進(jìn)行。根據(jù)其水力圖首先新建5個基準(zhǔn)平面，在各個基準(zhǔn)平面上建立草圖并在草圖上繪制出蝸殼的基圓、1-8斷面和9-11斷面的斷面圖。并通過“藝術(shù)樣條”命令依次連接各斷面的頂點(diǎn)，繪制出蝸殼線，為下步掃掠生成實(shí)體做準(zhǔn)備。如圖1所示。

圖1 蝸殼草圖繪制

根據(jù)繪制完成的斷面圖通過“掃掠” 命令生成蝸殼包含流道在內(nèi)的實(shí)體部分。由于1-8斷面和9-11斷面的形式不同，同時為了保證2段蝸殼的連續(xù)性，需要對這兩部分分別掃掠。首先由“掃掠”命令依次選取1-8斷面外蝸殼部分，在選取時注意各斷面的方向要保證一致，否則掃掠出來的實(shí)體會扭曲變形，選擇外蝸殼線和基圓分別作為2條引導(dǎo)線，完成該部分蝸殼實(shí)體的造型；同樣由“掃掠”命令完成9-11斷面對應(yīng)的蝸殼實(shí)體。如圖2所示。

圖2 草圖掃掠

之后將2段實(shí)體平滑的連接起來，利用UG NX8.0中的“通過曲線網(wǎng)格”命令，在2段實(shí)體之間生成光滑相切的曲面，在選擇曲線時，同樣要注意曲線的方向。生成的曲面經(jīng)“鏡像特征”“縫合”等命令后生成實(shí)體。利用“求和”命令使生成的實(shí)體與其前后部分結(jié)合成新的整體，如圖3所示。

圖3 生成曲面與實(shí)體求和

蝸舌部分繼續(xù)利用“掃掠”命令將其掃掠出來并與其他部分求和，完成蝸殼包括流道在內(nèi)部分的三維實(shí)體建模。如圖4所示。

圖4 蝸舌掃掠

蝸殼部分的最終生成需要將上述部分與流道部分求差，得到蝸殼實(shí)體，而流道部分建模與上述建模過程相同，通過“掃掠”“通過曲線網(wǎng)格”“求和”等命令完成流道部分造型，最終將流道與外側(cè)殼體部分“求差”得到蝸殼部分的三維實(shí)體模型。如圖5、圖6所示。

圖5 內(nèi)流道部分

圖6 蝸殼部分

2.3自吸離心泵殼體部分的三維造型

在離心泵蝸殼部分三維造型的基礎(chǔ)上對整個泵的殼體部分進(jìn)行造型，根據(jù)殼體部分與蝸殼的接觸關(guān)系并結(jié)合掃掠、抽殼、拉伸、回轉(zhuǎn)等命令來分布完成殼體部分的三維造型。

首先，與蝸殼相連的吸入口管道部分，通過掃掠中的沿引導(dǎo)線掃掠命令完成初步柱體造型，之后利用倒圓角和抽殼命令，最終完成入口部分造型。

其次，外殼部分，通過蝸殼輪廓線投影的曲線和圖紙數(shù)據(jù)完成草圖，運(yùn)用拉伸命令完成外殼部分造型，如圖7所示。

其他部分的造型與上述造型方法類似，基本都是通過繪制草圖、拉伸、回轉(zhuǎn)等命令完成整個泵體的造型，最后在用圓角和倒角命令對細(xì)節(jié)之處進(jìn)行處理，最終完成泵體的三維實(shí)體造型如圖8所示。

圖8 泵體

3 模型與3D打印技術(shù)的結(jié)合

精密鑄造生產(chǎn)的鑄件具有尺寸精度高、表面粗糙度值小、加工余量小等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合離心泵等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件的生產(chǎn)制造。

精密鑄造中鑄件的精度主要由熔模決定，熔模的生產(chǎn)則通過金屬模具壓制成型，有時還需要通過焊接將不同的部位組合在一起。加工周期較長，且金屬模具的成本較高。而熔模一般由蠟料、天然樹脂和塑料等可塑性較強(qiáng)的材料制成，可直接作為3D打印的原材料，因此可與3D打印技術(shù)相結(jié)合，用于熔模的一次成型。

在使用3D打印時，以本文中建立的該泵三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，將其導(dǎo)出為STL文件，然后將該STL文件導(dǎo)入3D打印機(jī)的控制軟件中；在控制軟件中設(shè)置分層厚度，軟件自動根據(jù)設(shè)置的厚度將模型切分成一層層的薄片；控制軟件將這些切片的描述信息發(fā)送到3D打印機(jī)，從而通過該數(shù)據(jù)控制主、輔噴頭的運(yùn)動路徑，完成模型的打印[10]。

通過3D打印技術(shù)，根據(jù)建立的模型，一次性完成熔模的生產(chǎn)，生產(chǎn)過程簡便，流程少，熔模的精度高，后續(xù)加工處理少，可大大減少工人的使用，降低生產(chǎn)成本。因此，3D打印技術(shù)在離心泵的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)具有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

離心泵由于其具有的優(yōu)勢在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。然而由于其自身結(jié)構(gòu)原因不具備自吸能力，對使用過程的方便性造成一定的影響。自吸離心泵則是以離心泵的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使其具備自吸能力，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)離心泵的不足之處[11]。

本文以某自吸離心泵的二維圖紙為基礎(chǔ)，結(jié)合UG NX 8.0軟件強(qiáng)大的三維實(shí)體造型優(yōu)勢，對該泵進(jìn)行三維實(shí)體建模。鑒于離心泵蝸殼部分結(jié)構(gòu)較為抽象，以復(fù)雜曲面為主，造型過程比較復(fù)雜，本文著重對該部分的造型過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。由于自吸離心泵結(jié)構(gòu)相比于普通離心泵結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，通過對該泵的三維實(shí)體造型，將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體，使該泵的空間結(jié)構(gòu)能夠直觀的展示出來，克服了傳統(tǒng)二維圖紙的不足。該實(shí)體造型也為下一步對泵體的模態(tài)分析及流體力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。同時，三維實(shí)體模型與3D打印技術(shù)的結(jié)合也為離心泵的實(shí)際生產(chǎn)制造提供了一個快速、高效的方法。

在通過本文建立的自吸離心泵三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，在后續(xù)步驟中將對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、泵體振動模態(tài)分析、流體力學(xué)分析等一系列的探索和研究，進(jìn)一步對該自吸離心泵的整體進(jìn)行優(yōu)化和改善，以達(dá)到減振降噪的目的。

[1] 展迪優(yōu). UG NX 8.0快速入門教程[M]. 北京：機(jī)械工程出版社，2012.

[2] 全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站機(jī)泵技術(shù)委員會. 工業(yè)泵選用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]馬棟棋. 新型自吸離心泵數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2011(6):483-486.

[4]周元欣，王瑋，宮敬，等.基于UG的離心泵三維實(shí)體造型設(shè)計[J]. 化工機(jī)械，2013(6):758-761.

[5]俞志君，王基，劉敏. 離心泵參數(shù)化三維造型的研究[J]. 流體機(jī)械，2009(10):45-48.

[6] 黃明星，嚴(yán)敬. 基于CATIA的離心泵蝸殼三維模型設(shè)計[J]. 西華大學(xué)學(xué)報，2006(5)：101-102.

[7] 楊軍虎，孟瑞峰，張云周，等. 基于UG的水力機(jī)械蝸殼參數(shù)化三維造型[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2012(8):44-47.

[8] 嚴(yán)敬. 低比轉(zhuǎn)速離心泵優(yōu)化設(shè)計[M]. 成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[9] 李沈堅，李春，周碧池. 基于UG的離心泵實(shí)體造型設(shè)計及研究[J]. 機(jī)械制造，2008(11):52-54.

[10]探討3D打印在UG軟件教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 軟件開發(fā)，2014(3)：67.

[11]郭曉梅，楊敏官，王春林. 自吸離心泵現(xiàn)狀分析[J]. 水泵技術(shù)，2001(1):27-29.

To control the vibration and noise,and optimize the structure of a self-priming centrifugal pump,the model of the self-priming centrifugal pump is accomplished with the powerful 3D modeling ability of UG NX 8.0 bashed on the 2D drawing,which lays the foundation for the vibration modal anaysis and fluid mechanics analysis of the centrifugal pump.Besides,a new idea for improving the traditional production of centrifugal pump can also be provided by combining a high-quality 3D model of centrifugal pump with the rapid developed technology of 3D printing.

self-priming centrifugal pump;UG NX 8.0；volute;3D modeling

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.015

李廣義(1991-)，男，山東濟(jì)南人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榕灤瑱C(jī)械設(shè)計與優(yōu)化。

2015-05-22