基于AutoCAD和SolidWorks的汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)三維建模與動畫制作

摘 要：以國產(chǎn)超超臨界660MW汽輪機(jī)的三維模型與結(jié)構(gòu)演示動畫的制作過程為例，介紹了一種基于實(shí)際設(shè)備的CAD二維平面圖紙，利用AutoCad和SolidWorks軟件將二維圖形快速轉(zhuǎn)換為三維模型的方法。該方法可以顯著縮短三維教學(xué)動畫的制作時(shí)間，對于專業(yè)課教師跟蹤課程所在領(lǐng)域的實(shí)用新成果，將最新的設(shè)備結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為基本準(zhǔn)確的三維立體模型，在教學(xué)活動中開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新意識，具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：AutoCAD;SolidWorks;汽輪機(jī);三維建模;動畫制作

Abstract：Taking the production process of 3D model and structure demonstration animation of domestic ultra supercritical 660MW steam turbine as an example，a method of CAD 2D plane drawing based on actual equipment and quickly converting 2D graphics into 3D model by using AutoCAD and SolidWorks software is introduced.This method can significantly shorten the production time of three-dimensional teaching animation.It is of practical significance for professional teachers to track the practical new achievements in the field of the course，convert the latest equipment structure into a basically accurate three-dimensional model，broaden students' horizons and cultivate students' innovative ideas and innovative consciousness in teaching activities.

Keywords：AutoCAD;SolidWorks;Steam turbine;3D modeling;Animation production

三維動畫因?yàn)槟軌蛐蜗笊鷦拥叵驅(qū)W生展示汽輪機(jī)的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)及各組成零部件，幫助學(xué)生快速對汽輪機(jī)建立直觀印象，克服后續(xù)理論學(xué)習(xí)過程中的脫節(jié)感，因此在汽輪機(jī)相關(guān)課程教學(xué)中被廣泛應(yīng)用。但是隨著電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)的重大變化，為了適應(yīng)深度調(diào)峰任務(wù)，最新設(shè)計(jì)的國產(chǎn)汽輪機(jī)的某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相比傳統(tǒng)機(jī)型發(fā)生了很大變化，這就要求我們專業(yè)教師能夠及時(shí)更新相關(guān)動畫資源，豐富教學(xué)手段，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滿足“新工科”教育理念對多元化、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

本文以某國產(chǎn)超超臨界660MW汽輪機(jī)為例，介紹了一種基于CAD二維平面圖紙，利用AutoCAD和SolidWorks快速將汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)零件的二維圖形轉(zhuǎn)換為三維立體模型的方法。模型與實(shí)際設(shè)備基本一致，應(yīng)用于汽輪機(jī)相關(guān)課程的教學(xué)中，能夠生動形象地向?qū)W生展示實(shí)際汽輪機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)及各零部件之間的相對位置關(guān)系，幫助學(xué)生加深對理論知識的理解。

1 AutoCAD在汽輪機(jī)三維動畫制作中的作用

AutoCAD在平面繪圖領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，還可以快速高效的建立簡單的三維模型。但是AutoCAD的曲面建模功能不完善，需要使用布爾運(yùn)算來計(jì)算交集、并集和差集，復(fù)雜的三維模型建立比較困難。

本文僅使用AutoCAD將以PDF文件保存的國產(chǎn)超超臨界660MW汽輪機(jī)各零件二維圖紙轉(zhuǎn)換為DWG文件，并對其進(jìn)行簡單的預(yù)處理，為SolidWorks軟件提供汽輪機(jī)各零件的二維草圖。

AutoCAD將PDF圖片轉(zhuǎn)化為二維草圖時(shí)，無法自動識別曲線、文字、點(diǎn)劃線，會將圖中所有的曲線和文字都轉(zhuǎn)化為“多段線”，原圖中的粗線條會轉(zhuǎn)化成多條重合的0磅線段，某些地方會出現(xiàn)線條的重合、交叉、未閉合的情況，作為構(gòu)造線的點(diǎn)劃線會轉(zhuǎn)化為一段一段的短線段。上述情況都會導(dǎo)致二維草圖無法旋轉(zhuǎn)或拉伸生成三維模型，所以必須修改后再導(dǎo)入SolidWorks作為建模用的草圖。以高壓內(nèi)缸前視剖面圖（圖1）為例，處理方法如下：

（1）選擇高壓內(nèi)缸的正視圖部分并刪除上半部分和所有組成文字的多段線、注釋用直線、所有孔槽以及拉伸凸起細(xì)節(jié)的輪廓線和相關(guān)點(diǎn)劃線、相鄰零部件的輪廓線，然后選中全部，使用“EXPLODE”命令（快捷鍵“X”），將所有多段線分解成單一直線，再將所有圓角的輪廓線生成的多段線用“起點(diǎn)、端點(diǎn)、方向”命令作圓弧，使其與原多段線大致重合，然后刪除原多段線;

（2）測量原圖紙上標(biāo)注距離的兩點(diǎn)（此處選取進(jìn)汽中心線和抽汽中心線）的長度，與原圖紙的數(shù)據(jù)相比較，選中全部使用“縮放”命令，選中任一基點(diǎn)以合適倍數(shù)放大，將整個(gè)圖形放大到與實(shí)際尺寸相當(dāng);

（3）使用“合并”法檢驗(yàn)輪廓的線條是否閉合。選取某直線，再選中與其一端端點(diǎn)連接的直線，使用“合并”命令（快捷鍵“J”）。若合并成功，則說明兩直線剛好相交，合并失敗，則說明兩直線可能部分重合、相交多出一段線或不相交，此時(shí)則需要在失敗處局部放大檢查，進(jìn)行修正后重新合并，直到缸體內(nèi)外輪廓線合并為一條閉合的多段線。

其余零件草圖處理過程均與此例相似，不再贅述。

2 SolidWorks在汽輪機(jī)三維動畫制作中的作用

2.1 三維建模

以高壓內(nèi)缸為例簡要說明三維建模過程：

（1）打開Solidworks，點(diǎn)擊“打開”選擇用AutoCAD處理后的高壓內(nèi)缸二維圖，選擇“輸入新零件為”項(xiàng)的“2D草圖”項(xiàng)，得到如圖2所示的高壓內(nèi)缸下半部分二維草圖。

（2）選擇中軸線（圖2中點(diǎn)劃線）為旋轉(zhuǎn)軸，選擇面積最大的封閉圖形為旋轉(zhuǎn)輪廓，利用特征菜單中的“旋轉(zhuǎn)凸臺/基體”功能將2D草圖旋轉(zhuǎn)180°[1]，如圖3所示，完成高壓內(nèi)缸下半主體的三維模型的建模效果。

如果AutoCAD草圖處理步驟面已經(jīng)閉合，卻依然不能旋轉(zhuǎn)，則如下處理，首先在原草圖的前視基準(zhǔn)面上新建一個(gè)與其重合的基準(zhǔn)面，然后在草圖繪制下使用“直線”工具，沿原草圖的輪廓描一遍得到新草圖，然后用新的草圖開始建模。此方法唯一的缺點(diǎn)是“直線”工具每生成一條線段都需要2到3秒的時(shí)間，對于一個(gè)有幾千條線段的草圖來說需要數(shù)個(gè)小時(shí)才能描完。

（3）制作內(nèi)缸上的突出部件和孔洞。以進(jìn)汽部分凸臺的制作為例，如圖4所示在適當(dāng)?shù)奈恢媒⑷舾苫鶞?zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上繪制草圖，依次使用“放樣凸臺/基體”指令，“拉伸凸臺/基體”指令中的“向外拔?！泵?，成形到高壓內(nèi)缸下半部分實(shí)體，使用“拉伸切除”指令，開出進(jìn)汽通道，最后建立矩形草圖，設(shè)置合適角度，使用“旋轉(zhuǎn)切除”指令將進(jìn)汽部分外形修型為圓柱面，完成效果見圖5。

其他軸向定位鍵、內(nèi)缸橫向支撐凸臺等突出體結(jié)構(gòu)和補(bǔ)汽口、回?zé)岢槠诤椭螇|片螺栓孔等需要開洞的位置，制作方法類似。

圖6為完成后的高壓內(nèi)缸下半缸三維模型，采用類似的方法依次制作汽輪機(jī)的其他主要零部件。

2.2 各零部件三維模型組建裝配體

使用新建“裝配體功能”[2]，點(diǎn)擊“插入零部件”，將所有建立好的某汽缸零部件三維模型按照一定的順序全部依次導(dǎo)入，注意最先插入的零件為固定的零件，不可移動，通過平移、旋轉(zhuǎn)等操作大致拼出該汽缸的結(jié)構(gòu)，然后使用“配合”指令將相關(guān)聯(lián)的零部件按照實(shí)際安裝情況組合在一起，例如，設(shè)定轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸的關(guān)系為“同軸心”，所有的零部件之間的配合關(guān)系設(shè)定好后就得到了一個(gè)裝配體，如圖7為低壓缸裝配體。

接著開始動畫制作，首先打開“爆炸視圖”，以組裝配合的相反過程，依次移動各零部件到合適位置。然后點(diǎn)擊“添加階梯”，逐個(gè)添加直到所有部件都被制作為爆炸步驟。最后點(diǎn)擊確定完成爆炸視圖，見圖8。

2.3 三維動畫制作

新建“運(yùn)動算例”，點(diǎn)擊動畫向?qū)?，選擇“爆炸”，設(shè)定動畫時(shí)間長度和開始時(shí)間，自動完成爆炸動畫;在時(shí)間軸上增加新的鍵碼，還可以利用動畫向?qū)г黾印敖獬ā眲赢?在合適的時(shí)間段編輯新的鍵碼點(diǎn)擊動畫向?qū)нx擇“旋轉(zhuǎn)模型”，可以增加零件展示和視角轉(zhuǎn)換動畫;在所有時(shí)間位置設(shè)定完成后選擇保存動畫為avi格式，設(shè)定動畫相關(guān)參數(shù)后，再進(jìn)行運(yùn)動算例重新計(jì)算后獲得動畫avi文件，至此汽輪機(jī)三維動畫制作完成。

結(jié)語

利用CAD圖紙可以快速獲得二維零件的主要輪廓，相比完全從零開始利用3D動畫制作軟件建立三維模型，大大減少了制作人員的工作量。

通過三維模型爆炸動畫，客觀地反映了汽輪機(jī)的安裝和拆卸過程，可以更加直觀地顯示各個(gè)零部件的相對位置，從而加深對這些零件作用的理解。

通過旋轉(zhuǎn)動畫，可以從任意角度、任意方位來觀察汽輪機(jī)零部件，客觀地描繪出汽輪機(jī)每個(gè)部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使學(xué)生增強(qiáng)對汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙丹.基于Solidworks復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的建模方法[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2020，33（02）：158-159，171.

[2]褚連娣，婁勇堅(jiān).Solidworks裝配體建模技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2020，35（11）：1-3，6.

基金項(xiàng)目：河北省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目《打造<汽輪機(jī)原理>混合式“金課”的課程教學(xué)改革與實(shí)踐》;項(xiàng)目編號：2019GJJG407

作者簡介：劉樹華（1976— ），男，漢族，河北武強(qiáng)人，碩士，講師，單位：華北電力大學(xué)（保定）動力工程系，研究方向：信息化技術(shù)在《汽輪機(jī)原理》教學(xué)中的應(yīng)用。