文丘里注肥器的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 磊，張育斌，魏正英，簡(jiǎn) 寧

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054)

隨著節(jié)水灌溉的普及，農(nóng)業(yè)用水用肥越來(lái)越受到人們的關(guān)注，為了杜絕長(zhǎng)久以來(lái)粗放式農(nóng)業(yè)水肥灌溉，并提高肥料資源的利用率，研究人員正逐步探索水肥一體化技術(shù)、精量灌溉技術(shù)、微滴灌技術(shù)[1,2]。通過(guò)集中施肥、優(yōu)化施肥、平衡施肥等措施，節(jié)約肥料的同時(shí)降低了肥料對(duì)土壤造成的累積污染[3-5]。

在整個(gè)灌溉系統(tǒng)中，施肥裝置對(duì)肥料的吸收量和配比率影響最大，目前常見(jiàn)的施肥裝置包括注肥泵、文丘里注肥器和壓差式施肥罐[6]。其中，文丘里注肥器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作安裝方便、無(wú)需外部動(dòng)力源等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于文丘里注肥器的研究多集中在仿制國(guó)外的系列產(chǎn)品，應(yīng)用數(shù)值仿真方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式對(duì)單個(gè)裝置進(jìn)行性能研究分析[7-13]，為此每個(gè)裝置結(jié)構(gòu)都需要建立三維模型生成實(shí)物以及建立流體模型做網(wǎng)格劃分，這就需要花費(fèi)大量的人力及時(shí)間在基礎(chǔ)模型上，為了解決該問(wèn)題，本文運(yùn)用Solidworks建模軟件完成文丘里注肥器實(shí)體模型和內(nèi)部流體模型，結(jié)合Visual C++程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)API接口實(shí)現(xiàn)建模軟件與窗口平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)文丘里注肥器的系列參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高前期的設(shè)計(jì)效率。

1 文丘里注肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理論

文丘里注肥器的一般結(jié)構(gòu)主要由入口段、收縮段、喉管段、擴(kuò)大段和出口段等幾部分組成，如圖1所示。其工作原理主要利用了伯努利方程和連續(xù)性方程[14]，即管路中的高壓液體進(jìn)入文丘里注肥器內(nèi)部，收縮段的管徑在短距離內(nèi)突然縮小，在喉管段附近形成負(fù)壓，與吸肥管外部形成大的壓差，在大氣壓強(qiáng)的作用下，肥液被吸入文丘里注肥器內(nèi)部，在擴(kuò)大段隨著管徑的逐漸增大，水肥能充分混合進(jìn)入后接灌溉系統(tǒng)。

圖1 文丘里注肥器內(nèi)部示意圖

伯努利方程：

(1)

連續(xù)性方程：

v1A1=v2A2

(2)

式中：v1、v2分別為管路變化前后的流體流速，m/s；p1、p2分別為管路變化前后的流體壓力，Pa；Z1、Z2分別為管路變化前后的流體相對(duì)基準(zhǔn)線(xiàn)的高度，m；A1、A2分別為管路變化前后的截面積，m2；γ為流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；g為運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化

通過(guò)近些年的研究工作，在原有的經(jīng)典文丘里注肥器(對(duì)稱(chēng)型)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改善，其中比較常見(jiàn)的就是偏心型文丘里注肥器，根據(jù)文丘里注肥器的一般結(jié)構(gòu)，提取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。主要包括進(jìn)出口端長(zhǎng)度L1和內(nèi)徑D1，喉部長(zhǎng)度L3和內(nèi)徑D2，主體段壁厚b1，吸肥管內(nèi)徑d和壁厚b2，吸肥管距離進(jìn)口端的長(zhǎng)度L5，收縮角α(收縮段長(zhǎng)度L2)和擴(kuò)散角β(擴(kuò)散段長(zhǎng)度L4)。在文丘里注肥器幾何特征不變的情況下，把這些關(guān)鍵參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)變量，給定不同的尺寸變量值，可生成一系列近似而尺寸不同的結(jié)構(gòu)[15]。

圖2 文丘里注肥器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2 參數(shù)化平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

應(yīng)用 Visual C++可視化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)交互式軟件平臺(tái)界面，完成對(duì)變量參數(shù)的修改。借助 Solidworks 二次開(kāi)發(fā)功能完成文丘里注肥器的三維模型和流體模型，通過(guò)API接口實(shí)現(xiàn)Visual C++和Solidworks的鏈接，只需在平臺(tái)界面上輸入相關(guān)的參數(shù)，Solidworks即在后臺(tái)進(jìn)行模型的繪制。其中所需的收縮角α和擴(kuò)散角β兩個(gè)重要指標(biāo)根據(jù)數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)表1)計(jì)算后自動(dòng)顯示在軟件界面上。文丘里注肥器參數(shù)化建模軟件基本流程圖，如圖3所示。

表1 收縮與擴(kuò)散角度和長(zhǎng)度數(shù)學(xué)關(guān)系式

圖3 文丘注肥器參數(shù)化建模軟件流程圖

3 軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

首先在Solidworks軟件上按基本結(jié)構(gòu)繪制文丘里注肥器三維模型，應(yīng)用Solidworks自帶的宏錄制建模過(guò)程生成VBA程序代碼，將程序代碼轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的C++語(yǔ)言，并刪除多余程序命令避免程序冗余，然后利用 Visual C++編程軟件強(qiáng)大的圖形交互功能創(chuàng)建文丘里注肥器參數(shù)輸入界面，在編程中調(diào)試每個(gè)控件的執(zhí)行性并設(shè)置初始值；最后完成 Solidworks與Visual C++的接口連接。

3.1 程序接口

Solidworks軟件提供了多種程序語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)接口，并提供了依附建模軟件自身的插件法和獨(dú)立的異步控制法。鑒于軟件平臺(tái)為了后續(xù)多功能模塊的開(kāi)發(fā)，所以采用異步控制法編譯獨(dú)立的軟件平臺(tái)界面[16, 17]。

Visual C++異步調(diào)用Solidwoks軟件的部分代碼如下：

CoInitialize(NULL); ∥用單線(xiàn)程方式初始化com庫(kù)函數(shù)

CComPtr swApp; ∥創(chuàng)建Solidworks智能指針

HRESULT hres = swApp.CoCreateInstance(__uuidof(SldWorks),NULL,CLSCTX_LOCAL_SERVER); ∥調(diào)用指針啟動(dòng)Solidworks軟件

//添加模型代碼

swApp = NULL; ∥指針置空

CoUninitialize(); ∥關(guān)閉com當(dāng)前線(xiàn)程

3.2 軟件平臺(tái)

Visual Studio中的集成開(kāi)發(fā)工具包，由于其強(qiáng)大的多語(yǔ)言跨平臺(tái)功能，受到程序開(kāi)發(fā)者的追捧，本軟件平臺(tái)基于Visual Studio 2012的Visual C++實(shí)現(xiàn)交互建模功能。

為了便于對(duì)文丘里注肥器進(jìn)行流體性能仿真分析，根據(jù)三維模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為流體分析模型，同時(shí)三維模型可以為加工實(shí)物做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供圖紙供應(yīng)。因此該軟件平臺(tái)主窗口內(nèi)包括文丘里注肥器流體模型和三維模型兩個(gè)模塊，并對(duì)應(yīng)包含對(duì)稱(chēng)型文丘里注肥器和偏心型文丘里注肥器兩種類(lèi)型，平臺(tái)主界面如圖4所示。

圖4 文丘里注肥器參數(shù)化建模平臺(tái)主界面

其中，在流體模型和三維模型內(nèi)分別選取對(duì)稱(chēng)型經(jīng)典文丘里注肥器可彈出其對(duì)應(yīng)的參數(shù)輸入界面，如圖5所示，輸入關(guān)鍵參數(shù)的具體數(shù)值，點(diǎn)擊生成模型按鍵，后臺(tái)會(huì)調(diào)用Solidworks生成該參數(shù)結(jié)構(gòu)的流體模型和三維模型。

圖5 對(duì)稱(chēng)型文丘里注肥器參數(shù)界面

3.3 平臺(tái)功能驗(yàn)證

以對(duì)稱(chēng)型文丘里注肥器三維模型為例列取兩組不同參數(shù)，吸肥管距離入口的距離分別為90和110 mm，通過(guò)該軟件獲得不同的模型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表2所示。從圖6可以看出生成的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，其中1號(hào)結(jié)構(gòu)吸肥管位于收縮段末部，2號(hào)結(jié)構(gòu)吸肥管位于喉部，兩種結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，更進(jìn)一步證明了程序的可執(zhí)行性和軟件平臺(tái)的可應(yīng)用性。

表2 對(duì)稱(chēng)型三維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)值 mm

通過(guò)開(kāi)發(fā)這套文丘里注肥器參數(shù)化建模軟件，可一次性生成對(duì)稱(chēng)型和偏心型結(jié)構(gòu)的流體模型、三維模型，其中流體模型便于后續(xù)的流體性能研究，可直接應(yīng)用于仿真流體軟件；三維模型直接生成STL文件，可應(yīng)用本重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的3D打印平臺(tái)加工實(shí)體完成實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型對(duì)比圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)對(duì)稱(chēng)型和偏心型文丘里注肥器進(jìn)行分析，獲取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

(2)以Visual C++為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)友好交互式參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，工程設(shè)計(jì)人員只需提供相關(guān)參數(shù)值，就可應(yīng)用本軟件平臺(tái)獲得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

(3)借助Solidworks二次開(kāi)發(fā)功能，通過(guò)VC++調(diào)用Solidworks完成對(duì)稱(chēng)型和偏心型兩種結(jié)構(gòu)模型繪制功能，提高建模的效率。

(4)該軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)文丘里注肥器結(jié)構(gòu)的系列化，便于對(duì)其性能的研究與模型加工，降低了研究人員針對(duì)不同模型進(jìn)行研究所耗費(fèi)的前期工作時(shí)間。