基于SolidWorks開發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組虛擬樣機(jī)

陳濤　郭海峰　孫廷昌　丘恩華　呂毅松

摘 要：分析了虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)，介紹了基于solidworks的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)軟件集成，并給出了基于SolidWorks軟件的虛擬樣機(jī)設(shè)計方法和實(shí)例。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)；SolidWorks；動態(tài)仿真；水輪發(fā)電機(jī)組

對于當(dāng)前的水輪發(fā)電機(jī)來說，其屬于水力發(fā)電廠的重點(diǎn)核心，由于水輪機(jī)運(yùn)行條件復(fù)雜、大量的零部件可能出現(xiàn)安全故障，并且在運(yùn)行中振動、磨損等問題仍未得到優(yōu)化完善，所以定期檢修是水力發(fā)電廠現(xiàn)階段的重點(diǎn)工作內(nèi)容。每次檢修時，如何根據(jù)具體的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行方案制定，以降低檢修成本和縮短檢修周期等是水力發(fā)電廠當(dāng)前面臨的主要問題。對于大型電站，水輪機(jī)的許多零部件被安裝在機(jī)坑里，使得檢修人員在進(jìn)行檢查過程中，難以明確當(dāng)前設(shè)備的內(nèi)部實(shí)際情況，并影響其對內(nèi)部空間位置的分析。

因此，水輪發(fā)電機(jī)組虛擬樣機(jī)的開發(fā)，對水電站的（檢修）技術(shù)進(jìn)步和人才培養(yǎng)具有明顯的促進(jìn)意義。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹

虛擬樣機(jī)是針對于真實(shí)機(jī)械系統(tǒng)而言，在二十世紀(jì)八十年代，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展的一項(xiàng)計算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。對一個機(jī)械系統(tǒng)在研究過程中，其主要的研究內(nèi)容包括當(dāng)前的動力學(xué)、靜力學(xué)以及運(yùn)動學(xué)三種類型，而虛擬樣機(jī)是在計算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)三維精確模型，利用模型的優(yōu)勢模擬在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)分析。

SolidWorks機(jī)械設(shè)計自動化軟件是一個基于特征、參數(shù)化、實(shí)體建模的設(shè)計工具。在solidworks中，通過運(yùn)動算例功能可以快速，簡潔地完成機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動及動畫設(shè)計。運(yùn)動算例可以模擬圖圖形的運(yùn)動及裝配體中的部件直觀屬性，它可以實(shí)現(xiàn)裝配體運(yùn)動的模擬、物理模擬。

2 水輪發(fā)電機(jī)組虛擬樣機(jī)構(gòu)建流程分析

流程：實(shí)際上，當(dāng)前的水輪發(fā)電機(jī)組虛擬樣機(jī)在進(jìn)行建立過程中，主要是以當(dāng)前的SolidWorks環(huán)境為主導(dǎo)思想，并以此為基礎(chǔ)，積極建立完善的三維實(shí)體模型，靈活通過虛擬裝配進(jìn)行三維水輪發(fā)電機(jī)組模型建立，適當(dāng)進(jìn)行信息的約束，通過添加合理的材質(zhì)，促使當(dāng)前的虛擬樣機(jī)完成。具體流程為：開始→水輪發(fā)電機(jī)組裝配信息分析→建立三維精確模型庫→構(gòu)建水輪發(fā)電機(jī)組裝配體→虛擬樣機(jī)

2.1 裝配體信息的分類

裝配體是具有以下2個特征關(guān)系的零部件的總稱：

（1）2個零件應(yīng)該相互接觸；

（2）2個零部件之間具有一定的約束關(guān)系。

因此如果要具體完整的描述一個裝配體，需要以下信息：零件信息（零件本身的屬性信息）、裝配關(guān)系（零件相對位置以及方向的定位關(guān)系）信息、父、子層次關(guān)系（裝配體中各零部件的層次關(guān)系）信息。

實(shí)際上水輪發(fā)電機(jī)組受其自身的性質(zhì)影響，可以分解為不相同層次的子裝配體及零件，其中的一個子裝配體又可以拆分為不相同的下一級子裝配體和多個零件，以此類推直到分解為1個1個的單個獨(dú)立零件體。

裝配體、子裝配體、零件之間的父、子層次關(guān)系可以1：1（結(jié)構(gòu)1：1，尺寸1：1）的使用樹形的形式表現(xiàn)出來。一個裝配體樹的根節(jié)點(diǎn)是總裝配體，實(shí)際上是整體水輪發(fā)電機(jī)組，而每個中間節(jié)點(diǎn)就是各個子裝配體（各個部件，例如調(diào)速器以及發(fā)電機(jī)等），葉節(jié)點(diǎn)是完全物理性質(zhì)上是獨(dú)立的單個零件）。從圖1中的裝配體樹的相對父、子關(guān)系可以直接、清楚的看到每個零件、裝配體見的相對關(guān)系，也可以更清晰的看到整個裝配體的組成過程以及組成結(jié)構(gòu)。

2.2 建立三維精確模型庫

參照前面裝配體（父、子關(guān)系）關(guān)系分析的結(jié)論，建立三維模型，首先應(yīng)該整理該樹形最底層機(jī)電設(shè)備零件相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)資料、結(jié)構(gòu)圖紙、工藝標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)務(wù)照片等，充分掌握設(shè)備零件的實(shí)際結(jié)構(gòu)組成以及工作原理和相互關(guān)系后，然后根據(jù)實(shí)際的水輪發(fā)電機(jī)組的各機(jī)電設(shè)備零件的具體數(shù)據(jù)1：1對應(yīng)的（尺寸、結(jié)構(gòu)1：1）進(jìn)行精細(xì)化建模開發(fā)，建模過程中應(yīng)注意：

2.3 構(gòu)建完善的水輪發(fā)電機(jī)組裝配體

構(gòu)建水輪發(fā)電機(jī)組裝配體過程中，當(dāng)其完成零部件的數(shù)字建模以及數(shù)字化數(shù)據(jù)庫后，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際的要求進(jìn)行最終的模擬裝配，以實(shí)現(xiàn)最終的目的。例如，進(jìn)行總體規(guī)劃，保證各個零件的安裝順序合理，靈活利用當(dāng)前的VB編程進(jìn)行控制，提升裝配效果。如圖3所示，其是當(dāng)前大型水輪發(fā)電機(jī)組的一級裝配圖。

現(xiàn)階段SolidWorks在進(jìn)行裝配過程中，在進(jìn)行零件添加過程中應(yīng)用的方法主要有兩種，一種是程序方法，另一種是手動方法，根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇。受手動方法影響，其自身的自動化程度較低，而對于當(dāng)前的程序方法來說，在應(yīng)用過程中，主要是利用當(dāng)前的零件文件，并運(yùn)用API函數(shù)進(jìn)行指定位置添加，滿足當(dāng)前的需求。

SolidWorksAPI中，主要是利用當(dāng)前的函數(shù)OpenDoc4（）進(jìn)行零件文件打開，并根據(jù)實(shí)際的需求，靈活利用當(dāng)前的assemblyDoc 對象的 AddComponent2（）函數(shù)進(jìn)行零部件添加，例如，具體來說，AddComponent2（）函數(shù)的使用方法主要體現(xiàn)在以下方面：

LPDISPATCH modDisp =UserApp.>getSWApp（）.>GetActiveDoc（）；

IAssemblyDoc assembly（modDisp）；

assembly.AddComponent2（"C：＼＼＼＼sw＼＼＼＼轉(zhuǎn)輪.SLDPRT"，x，y，z）；

實(shí)際上，當(dāng)前的AddComponent2（）函數(shù)只能指定加入當(dāng)前的零件原點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，導(dǎo)致其應(yīng)用具有一定的局限性，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

在整個機(jī)組的安裝過程中，裝配按樹形結(jié)構(gòu)組織。以水輪機(jī)為例，其接力器、主軸和轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和軸承裝配均為其第 1 級子裝配。第1級子裝配包括第2級子裝配和零件。以軸承裝配為例，包括油箱、 內(nèi)油箱、冷卻器、軸承體和油箱蓋等零件及軸瓦裝配。而軸瓦裝配由軸瓦和軸承合金裝配而成，所以是第3級子裝配。合理的裝配順序確定后，在SOLIDWORKS中采用Inline節(jié)點(diǎn)將SOLIDWORKS文件按照相互關(guān)系裝配起來。系統(tǒng)中先將零件裝配成最低級別的子裝配，并利用 SOLIDWORKS文件中組節(jié)點(diǎn)Transform的坐標(biāo)偏移量translation設(shè)定零件在適當(dāng)?shù)某跏嘉恢?，完成整個裝配過程。

2.4 動態(tài)干涉檢查與裝配關(guān)系的完善

在現(xiàn)實(shí)世界中，兩個實(shí)體對象不可能實(shí)現(xiàn)空間共享，因此在進(jìn)行虛擬環(huán)境建設(shè)中，為促使其更加真實(shí)，必然會應(yīng)用當(dāng)前的實(shí)體碰撞與實(shí)體檢測技術(shù)，以保證其滿足當(dāng)前的要求。在進(jìn)行技術(shù)檢測過程中，需要合理按照當(dāng)前的檢測順序進(jìn)行，如主要分為碰撞檢測、碰撞分析以及碰撞響應(yīng)，合理對其進(jìn)行判斷，并獲得準(zhǔn)確的信息，輔助系統(tǒng)進(jìn)行處理。

3 結(jié)語

為水電站發(fā)電運(yùn)行與檢修的需求，規(guī)避現(xiàn)代水電站走上傳統(tǒng)水電站的新員工培訓(xùn)方法是師帶徒的方式，在面對海量設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、檢修工藝、裝配工藝的崗位能力要求而研究的水輪發(fā)電機(jī)組虛擬樣機(jī)，方便圖紙的查閱和理解，保證工作人員在無法看到實(shí)物的情況借助本模型分析技術(shù)難點(diǎn)，通過智能化的裝配，促使員工直觀的了解水電站系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)作方式。它能給水電站員工更與真實(shí)接近的體驗(yàn)，為探索宏觀設(shè)備及微觀設(shè)備提供快捷的通道。

作者簡介：陳濤（1963.），男，重慶人，本科，高級工程師，研究方向：電力工程技術(shù)、電力虛擬仿真技術(shù)。