复杂实体建模

复杂实体建模（精选八篇）

复杂实体建模 篇1

Master CAM是当今广泛使用的CAD/CAM软件。它是美国CNC Software公司开发的CAD/CAM系统,具有功能强大、定位精确、易学易用的特点,集二维几何图形设计、三维曲面设计、实体建模、刀具路径模拟、实体加工模拟等功能于一身,是目前广泛使用计算机辅助设计和辅助制造的软件。其实体建模的方法除了五种基本实体造型方法,还提供了挤出、举升、旋转、扫掠等便于生成较复杂实体的造型方法,并可对实体进行编辑,通过倒角、倒圆角、、抽壳、布林运算等方法生成更加复杂的实体。这其中尤以布林运算功能最为强大。合理利用布林运算,可以大幅提高三维设计的工作质量和效率。

本文以三个具体的实体建模过程为例,就如何灵活运用Master CAM的布林运算功能进行三维建模设计进行了初步探讨。

2 布林运算在复杂三维实体建模中的应用

布林运算就是对两个或两个以上的实体进行结合(Add)、切割(Remove)和交集(Common)的运算,从而生成一个新实体的过程。

2.1 布林结合

布林结合运算(Add)就是将工件主体叠加到目标主体上,作并集运算,构建一个新实体。这个新的实体包括目标主体和工件主体的所有特征。下面以图1为例解析其具体用法。

该零件为类似凸模的一个零件,从工艺角度分析,先生成一个长方体的块,然后再在其上表面分别生成另两个凸台实体,然后以长方体作为目标主体,其他两个凸台作为工件主体,利用布林结合得到所要的实体。具体步骤如下:

(1)长方体的建模

先绘制二维轮廓外形,如图2,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到长方体,如图3。

(2)凸台1的建模

改变工作深度至长方体的上表面,将构图面设置为俯视图,绘制如图4的轮廓线,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到如图5凸台1的实体。

(3)凸台2的建模

为防止凸台1的轮廓线对凸台2产生影响,在进行建模前先将凸台1隐藏,将构图面设置为俯视图,绘制如图6的轮廓线,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到如图7凸台2的实体。

(4)布林结合

恢复隐藏的凸台1,结果如图8,选择:实体/布林运算/结合,选择“实体主体”是Yes,其余都是No,选择长方体作为目标主体,凸台1、2实体分别作为工件主体,执行,即得到所要求的实体。

2.2 布林切割

布林切割(Remove)运算是在目标实体中减去与各工件实体公共部分的材料后构建一个新实体。一般常用于模具凹模的设计及复杂型腔的生成。下面以图9为例解析其具体用法。

该零件为类似凹模的一个零件,从加工工艺角度分析,先加工一个长方体的块,然后通过挖槽成型,所以在三维建模时先建一个长方体作为目标主体,然后再一个外形如凹槽的斜锲形实体作为工件主体,利用布林切割得到所要的实体。具体步骤如下:

(1)长方体的建模

先绘制二维轮廓外形,如图10,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到长方体,如图11。

(2)斜锲形实体的建模

改变工作深度至长方体的上表面,为防止长方体的轮廓线对其产生影响,在进行建模前先将长方体隐藏,绘制如图12的轮廓线,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到如图13实体,然后再通过改变构图面及工作深度,绘制如图14的三角形的轮廓,利用实体/挤出/串连/切割主体,得到如图15的斜锲形实体。

(3)布林切割

恢复隐藏的回转体,结果如图16,选择:实体/布林运算/切割,选择“实体主体”是Yes,其余都是No,选择长方体作为目标主体,斜锲形实体作为工件主体,执行,得到所要求的实体,结果如图17。

2.3 布林交集

布林交集(Common)运算是将目标实体与各工具实体的公共部分组合成新实体。在布林运算(Boolean)子菜单中选取角集(Common)命令,可以对实体进行布林求交运算。下面以图18为例解析其具体用法。

该零件从加工工艺角度分析属于一个回转体零件,然后通过三等分外形切割及打孔成型,所以三维建模时先建一个回转体作为目标主体,然后外形切割主体作为工件主体,利用布林交集得到所要的实体。具体步骤如下:

(1)回转体的建模

先绘制二维轮廓外形,如图19,然后利用实体/旋转/串连/建立主体,得到回转体,如图20。

(2)切割主体的建模

为便于绘图,隐藏回转体。先绘制二维轮廓外形,如图21,然后利用实体/挤出/串连/建立主体,得到切割主体外形,如图22。这时“实体管理员”中应显示两个实体。

接着再在该实体表面绘制如图23的9个圆,结果如图24,然后利用实体/挤出/串连/切割主体/全部贯穿,结果如图25。

(3)布林交集

恢复隐藏的回转体,结果如图26,选择:实体/布林运算/交集,选择“实体主体”是Yes,其余都是No,选择回转体作为目标主体,外形切割主体作为工件主体,执行,得到所要求的实体,结果如图27。

3 结语

本文以实例的形式具体介绍了布林运算功能在复杂实体建模中的运用,在实际生产过程中要灵活运用,从工艺的角度出发,合理应用该功能,可以达到事半功倍的效果。

摘要：合理利用MasterCAM软件的布林运算功能,可以大幅提高复杂三维实体建模设计的工作质量和效率。本文通过具体实例对布林运算三种具体运算形式的的适用范围及具体操作作了详细的介绍。

关键词：MasterCAM,布林运算,复杂实体建模

参考文献

复杂实体建模 篇2

曲轴APDL三维实体建模与模态分析

采用ANSYS软件所支持的`APDL参数化设计语言,建立一个直列四冲程发动机的曲轴三维实体模型.在添加合理的约束后,通过模态分析,得到了曲轴的各阶固有频率和振型,确定了其危险区域.为合理的设计曲轴提供了依据.

作 者：高云全 李桂芬 陈献晖 张俊华 GAO Yunquan LI Guifen CHEN Xianhui ZHANG Junhua  作者单位：高云全,GAO Yunquan(长江大学机械工程学院,湖北,荆州,434023)

李桂芬,陈献晖,张俊华,LI Guifen,CHEN Xianhui,ZHANG Junhua(中油特种车辆有限公司,河南,濮阳,457001)

刊 名：锻压装备与制造技术  ISTIC英文刊名：CHINA METALFORMING EQUIPMENT & MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 44(6) 分类号：O343.2/TG316.2 关键词：计算机应用   曲轴   发动机   模态分析  

转子叶片三维实体建模与应力分析 篇3

转子结构复杂,工作条件下测系统的应变、位移在实际操作中很难实现。但是研究和研制转子系统需要大量的数据,如何有效地进行数值计算分析转子叶片的应力、应变等来支持转子的研制是目前的研究热点。

有限元分析对于解决工程实际中一些设计问题是非常重要的,对于复杂结构的机械部件,数值计算已经成为不可或缺的分析工具。虽然有限元分析大都包含了建模功能,但是在有限元前置处理系统中建立一个比较复杂的模型还是需要花费很多时间,机械部件的几何模型完全可以用模具设计软件(CAD)进行快速、准确地建立。本文使用CAXA建立转子实体模型,使用MSC.Patran/Nastran进行有限元分析。通过分析可以明确工作状态下转子整体的应力分布以及叶片位移情况。

1 有限元模型

目前MSC.Patran数据传递的方式有两种,一是通过专用数据接口传递,另一种方式是通过标准图形格式传递。一般工程计算中采用标准图形格式进行数据传递。标准图形格式传递常用的图形标准有IGES、Step、SAT和ParaSolid。MSC.Patran保留了IGES接口,但是由于IGES标准有很多的不严格性,导致很多复杂模型的传递以失败告终[1]。相比较IGES标准Step、SAT与ParaSolid标准较为严格,被多数CAD程序采用。

数据传递面临的一个重大挑战是将导入CAE程序的CAD模型改造成适合有限元分析的模型。很多情况下导入CAE程序的模型不可以进行网格划分,导致无法进行有限元计算。还有一些情况就是导入模型细节过多,计算量过大,计算结果不明确,掩盖了问题的主要矛盾,无法进行明确的分析。因此如何进行模型改造是复杂模型有限元计算非常关键的一个方面。目前推荐的方法是回到CAD程序中按照分析的要求修改模型。一方面检查模型的完整性,另一方面剔除对分析无用的细节特征。当几何模型距CAE分析的要求相差太大时,还可利用CAE程序的造型功能修正几何模型。“布尔运算”是“切除”多余细节和修理“非完整”特征的有效工具[2]。

本文通过CAXA建立三维实体CAD模型,使用SAT标准进行数据传递,当数据传递进入Patran之后使用Patran的建模板块进行模型的修复,使模型能够顺利地进行网格划分,从而进行有限元计算。

在CAXA软件中生成转子叶片模型,如图1所示。把模型保存为SAT格式,打开patran在file中选择import—model—ACIS。在导入过程中在model unit中选择模型的单位制,由于本文中转子叶片的尺寸是mm,所以选择(millimeters)。这样在后面的计算结果中位移的单位是mm,相应的应力单位为MPa。

如图1所示,转子圆心到叶梢的距离为200 mm,转子共包含9个相同的叶片,叶片宽度为150 mm。导入的模型经过网格划分,共有159 270个solid单元,施加的载荷为在每个叶片顶端的切线方向作用1 500 N的均布力。将转子的两端的x、y、z向位移限制为零,转子和叶片材料均为各向同性弹性材料,弹性模量为5.5 GPa,泊松比为0.35。

2 结果分析

结合CAXA以及CAE软件Patran可以对本文给出的复杂的转子叶片进行有限元计算,得到相应的位移应力分布结果。

图2给出了转子叶片的变形位移情况,从图中可以看出,相比未变形的状态,施加载荷后叶片发生了明显的变形,叶片顶端的位移最大,并沿着叶片顶端向叶片根部位移逐渐变小。将转子叶片系统向xy平面投影,如图2(b)所示可以看出,此时每个叶片的变形情况是完全相同的。

图3给出了转子叶片的Mises应力和剪应力的分布图。从图3(a)应力云图上可以看出叶根处的Mises应力最大,且最大的应力都集中在叶根凸起的部位,所以这些部位是转子叶片最容易破坏失效的部位。同样的,对于叶片转子系统叶片的剪应力的分布云图见图3(b),从图上可以看出来最大的剪应力也发生在叶片根部凸起的部位。

图4是叶片根部棱边和叶片顶端棱边的Mises应力分布,可以看出来叶片根部的应力小于叶片顶端的应力,叶片根部最大应力具体的位置为距离叶片侧棱边3.0 cm处,其中叶片根部边缘也是应力集中的区域。

4 结论

使用CAXA建立实体模型,通过SAT标准使CAD模型成为有限元模型,经过计算分析得出转子叶片的位移在叶梢处最大,最大值为1.04 mm。最大剪应力以及Mises应力的分析中发现叶根的应力是最大的,且同样是叶片凸起部分的应力比叶片凹面的应力大。所以叶根部分是整个转子叶片应力集中的部位,是转子容易破坏的部位。

摘要：使用CAD软件CAXA建立三维转子叶片系统实体模型,将模型导入CAE软件Patran中进行有限元分析。在叶片顶端施加均匀剪切载荷,分析转子和叶片中的应力位移分布规律。结果表明各个叶片位移分布相同,顶端位移最大。Mises应力和剪切应力则在叶片根部最大。Mises应力和剪切应力沿叶片径向分布规律相同。所得结果可以为实验研究转子叶片系统提供数值参考。

关键词：CAXA,Patran,应力,位移

参考文献

[1]白静,杨方.建立透平叶片有限元分析模型的关键技术.机械制造,2008;46(528):17—19

复杂实体建模 篇4

1 叶轮轴实体造型设计

叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分, 其设计要求较高, 曲面特征也较复杂。在利用Power Sh APE软件造型时需要生成3 个文件。一是车削模块线框文件, 二是铣削模块设置毛坯的加工三角形文件, 三是叶轮轴实体造型文件。

1) 叶轮轴车削线框的绘制。根据零件图绘制出造型所需线框, 选择 “文件”→ “输出”, 作为*igs格式输出, 其可作为叶轮轴的毛坯 (Feature-CAM) 的车削线框。

2) 加工三角的产生。叶轮轴毛坯在车削中完成了加工, 大部分余料已去除。在Power SHAPE模块中绘制车削叶轮轴模型 (见图1) , 将文件以加工三角输出, 格式为*dmt, 作为Power MILLl软件加工叶轮时所需毛坯。

3) 叶轮轴的造型。将绘制的车削线框通过旋转产生实体轴。按照叶片尺寸绘制叶片, 利用 “曲线”→ “曲线包裹”功能, 绘制出叶片螺旋曲线, 在螺旋线的两端绘制叶片的截面线框。首先利用“曲面”→ “智能曲面”→ “驱动曲线”产生叶片的轮廓曲面。然后采用 “智能曲面”→ “填充”产生叶片截面曲面。最后利用 “实体”→ “曲面转换实体”将叶片封闭曲面转换成实体。通过旋转操作完成所有叶片的造型。根据零件图完成叶轮轴的槽和螺纹孔的造型, 叶轮轴实体造型见图2。

2 确定切削刀具及参数

为保证叶片的纹理要求, 所使用的刀具切削刃长度应大于30 mm, 刀具总长度应大于80 mm。叶片整体粗加工时, 根据叶片之间的距离大小, 选用直径6 mm硬质合金圆角端铣刀, 预留0.5 mm的精加工余量。精加工时采用直径6 mm的球头铣刀。选择合适的切削用量。实际加工中可以根据机床性能确定主轴转速和进给速度。

3 Power MILL编程流程

叶轮轴 (除叶片) 的加工可采用车削加工成型, 叶片加工时, 叶片必须具有良好的表面质量。叶片加工精度一般集中在叶片表面、轮毂表面和叶根表面, 表面粗糙度值应小于Ra 0.8 μm, 截面间的型面平滑过渡, 叶片的表面纹理要求一致。

1) 叶轮粗加工、半精加工。将叶轮轴模型导入Power MILL模块中, 进行毛坯设置, 定义毛坯类型为加工三角形, 选取已生成的加工三角 (*dmt文件) , 将其作为叶轮加工毛坯, 毛坯设置效果见图3 (加工三角的坐标系必须与叶轮轴的坐标系对应) 。在编程时, 为便于叶轮在机床上定位夹紧后确定其加工原点, 将加工坐标系原点定在叶轮轴右端面的回转中心点上, 坐标轴的方向与机床坐标系方向保持一致。

粗加工边界的定义:在Power MILL软件中可通过产生边界控制叶片的加工范围。选取图4 所示两叶片之间的曲面, 利用工具栏中 “边界”功能中的“用户定义边界”, 选择 “模型”, 完成叶片加工边界的定义。叶片的粗加工:在 “刀具路径策略选择器”→ “3D”选取 “模型区域清除”, 选用确定直径6 mm硬质合金圆角端铣刀, 设置合适的加工参数, 生成刀具路径, 实现叶片的粗加工。叶片的半精加工:选择 “最佳等高精加工”, 选用确定直径6 mm的球头铣刀, 设置合适的加工参数, 刀具路径见图5, 实现叶片的半精加工。

2) 叶片精加工。加工叶片时采用SWARF精加工策略, 选择确定直径6 mm的圆角端铣刀, 利用铣刀的侧刃加工叶片。采用SWARF加工策略时, 刀轴默认为自动, 设置加工参数。在 “多重切削”对话框, 设置 “方式”为 “合并” “排序方式”为 “范围”, “上限”为 “顶部”和 “最大切削次数”为 “10”。刀具路径见图6。

3) 叶轮流道精加工。曲面精加工是一种沿已选曲面上的曲面或曲线进给的精加工策略, 该策略不能平行于任何裁剪过的曲面边缘运行。选取叶片与轴相交的圆角曲面, 选择 “曲面精加工”, 设置加工参数, 将 “刀轴”设置为 “前倾/侧倾”, “前倾角/侧倾角”分别设置为 “0”, 生成叶轮流道精加工刀路。采用同样方法完成叶轮流道其他2 个面的精加工刀具路径, 将叶轮流道的3 个精加工刀具路径进行合并, 形成一个完整的叶轮流道精加工刀具路径。在完成单一叶片表面刀具路径计算后, 通过编辑该叶片刀具路径实现另外4 个叶片表面结构加工, 可提高编程效率。在刀具路径栏中选择 “开粗-D6r1” “等高精加工” “叶片精加工” “曲面精加工”等刀具路径, 通过 “变换刀具路径”操作, 逐一复制上述4 个刀具路径, 完成叶轮的粗加工、半精加工、精加工, 所有刀具路径见图7。

4) 叶轮轴上槽的加工。在槽底建立合适的坐标系, 保证坐标系Z轴垂直于叶轮轴轴线, 选择确定直径6 mm圆角端铣刀, 采用 “模型区域清除”对槽进行粗加工。采用SWARF精加工策略对槽的两侧面进行精加工, 由于槽的底面是较窄的平面, 可选择 “平行平坦面精加工”进行槽底面的加工, 采用旋转复制的方法完成其他槽的加工, 刀具路径见图8。

4) 模拟验证。叶轮轴加工刀具路径产生后, 需要对刀路进行仿真加工校验, 根据验证结果对其作相应的修正处理。Power MILL提供了加工仿真工具, 可以直接对生成的刀路进行实体仿真, 非常直观, 是修正刀路的良好工具。最后, 将叶轮轴的叶轮和轴加工的所有刀具路径进行仿真加工 (见图9) 。

4 结论

通过应用Power SHAPE软件实现叶轮轴的实体建模, 利用Power MILL软件完成叶轮的四轴数控编程加工, 改善了三轴数控加工多次定位问题, 简化了加工方法, 提高了叶轮加工精度, 为叶轮的四轴数控加工提供了切实可行的方法。

参考文献

[1]汪光远.血泵叶轮四轴数控加工方法[J].制造技术与机床, 2008 (10) :117-119.

[2]朱克忆.Power Mi LL高速数控加工编程导航[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[3]季田, 卞桂虹, 刘向东, 等.叶轮造型与加工支撑软件的选择及技术特性[J].制造技术与机床, 2008 (1) :83-87.

[4]赵玉侠, 狄杰建, 高德文, 等.基于五轴机床的叶轮实体建模与加工[J].制造技术与机床, 2011 (12) :167-169.

[5]司徒渝.叶轮五轴联动数控加工关键技术研究及在DMU100T机床中的实现[J].制造技术与机床, 2008 (9) :121-124.

[6]刘容.基于Power MILL的数控加工技术在模具制造中的应用[J].金属加工, 2013 (1) :69-71.

石油钻头的实体建模及有限元分析 篇5

PDC是石油钻井中开发的新型钻头。自20世纪70年代PDC钻头面世以来, 以其能显著提高钻井速度、降低成本和经济效益好等特点而被广泛应用推广, 钻头属于结构形状比较复杂的孔加工工具, 同时钻头又是石油钻探过程的关键部件。提高钻头设计的关键是在设计的过程中能较准确预测钻头的受力、钻削状况和由此导致钻头的应力应变情况, 为钻头的设计以及结构的优化提供可靠的理论参考数据。

1 石油钻头的三维重构及实体建模

目前成熟的三维建模软件很多, 可以满足PDC钻头这样复杂形体的建模, 对塔里木油田使用的美国休斯·克里斯坦森公司生产的一种称为Genesis XT的新型PDC钻头进行三维重构。首先利用ATOS光学扫描仪对钻头扫描及逆向工程软件Imageware点云数据进行处理, 之后利用三维软件UG NX进行石油钻头的三维造型的重构, 以Imageware, UG为平台, 建立石油钻头的三维参数化模型。图1是钻头逆向工程实施的途径图。

由于钻头的形状比较复杂, 无法一次完成整个钻头表面的扫描工作。因此把钻头分成上下两部分扫描, 分别得到两个点云文件, 然后在扫描仪软件中通过两个点云数据的公共参考点把两个点云文件拼合为一个文件。对钻头上下两部分的各个方位进行扫描, 扫描软件会根据参考点, 要求每幅照片至少有3个以上的参考点, 否则无法拼合, 通过公共场所参考点自动把扫描得到的每幅照片进行拼合, 最终完成整个钻头外形的扫描。扫描完成后, 通过ATOS扫描软件对点云进行对齐、三角化、光顺和稀化等后得到钻头的点云文件, 这时可以输出STL文件, 以便Imageware软件对点云进行后序处理。对点云进行处理时, 齿孔中心线的位置对于整个钻头的结构是最重要的, 因为钻头在工作时就是依靠各个不同齿位的金刚石齿去工作, 如果严格按照钻头的齿位进行拟合, 即严格按照原设计进行拟合, 则这些齿位就可以保证金刚石齿的磨损量最小、工作寿命最长, 因而齿孔中心线的提取是整个逆向过程最为重要的环节, 直接决定了钻头的使用寿命。图2, 图3, 图4分别是钻头实物原始点云图、钻头精简后的点云图、在UG软件中完成的三维钻头模型。

2 石油钻头的有限元分析及结构优化

有限元模型是进行有限元分析的数学模型, 它为计算分析提供所有原始数据。有限元模型的建立形式直接影响有限元分析精度。因此, 建立模型是进行有限元分析的关键。在钻头力学的研究中, 可以把钻头分成有限个离散的单元, 采用有限元方法将各个单元按一定规律组合在一起, 得到一组以位移为未知量的代数方程组。要研究钻头系统的动力学特性, 首先必须建立相应的力学模型。根据该模型的特点, 选用有限元法来建立和求解钻头系统动力学模型。

2.1PDC钻头受力及扭矩分析[2,3]

PDC钻头是由若干个切削齿构成的整体型钻头, 钻头的受力取决于各个切削齿的受力以及各切削齿在钻头上的位置和钻头剖面形状。通过单齿切削试验, 研究切削参数 (包括切削面积Ac和接触弧长Sc) 后倾角α及岩石可钻性Kd等主要因素对PDC钻头切削齿受力的影响规律, 建立PDC钻头切削齿受力模型。

1) 单齿切削力模型

Fc=a1AcSc+b1 (1)

a1= (0.001a2-0.012a+0.483) Kundefined (2)

b1= (0.025a2-0.36a+22.985) Kundefined (3)

2) 单齿正压力模型

Fn=a2AcSc+b2 (4)

a2= (0.0015a2-0.0235a+0.571) Kundefined (5)

b2= (0.0105a2-0.1585a+35.736) Kundefined (6)

式中:Fc——切削齿的切削力, 单位kN;

Ac ——切削面积, 单位mm2;

Sc ——接触弧长, 单位rad;

α ——后倾角, 单位°;

b ——齿中心到钻头轴线的压力, 单位kN;

Kd ——岩石可钻性;

Fn ——单齿正压力, 单位kN。

钻头的总齿数为Ne=37个, 剖面形状如图5所示。设任意一个切削齿中心在钻头上的坐标为 (Rc, Hc, θc) , 法向角为rc, 后倾角为α, 侧转角为β将各切削齿的受力向钻头的轴向、切向和径向上分解, 就可以得到各切削齿的轴向分力Fv, 切向分力Fc和径向分力Fr及Frr。切向分力即切削齿的切削力, 轴向分力和径向分力的计算公式为:

Fv=Fncosγc (7)

Fr=Fnsinγc (8)

Frr=Fctanβ (9)

式中:Fv——切削齿的轴向分力, 单位kN;

Fr ——切削齿的径向分力, 单位kN;

Frr ——切削齿的径向分力, 单位kN;

Fc ——切削齿的切削力, 单位kN;

Fn ——单齿正压力, 单位kN;

rc ——法向角, 单位°;

β ——侧转角, 单位°。

根据力的平衡原理, 对各切削齿的轴向分力Fv, 求和, 可得到钻头破碎井底岩石所需要的钻压W。各切削齿的切削力Fc与切削半径的乘积之和即为旋转钻头所需要的扭矩T。将各切削齿的切削力Fc和径向分力Fr, Frr向x, y两个坐标轴分解并求和, 可求得两个坐标方向的分力Fx和Fy, 这样就可以计算出钻头的总侧向力Fs及作用方向角θs, 得到PDC钻头受力计算模型。

钻压为:undefined

扭矩为:undefined

总侧向力为:undefined

undefined

式中:Fv——切削齿的轴向分力, 单位kN;

W ——钻头破碎井底岩石所需要的钻压, 单位kN;

T ——旋转钻头所需要的扭矩, 单位kN/m;

R ——切削半径, 单位mm;

Fc ——切削齿的切削力, 单位kN;

Fs ——钻头总侧向力, 单位kN;

Fx ——切削齿沿x轴分力之和, 单位kN;

Fy ——切削齿沿y轴分力之和, 单位kN;

Fr ——切削齿的径向分力, 单位kN;

Frr ——切削齿的径向分力, 单位kN;

θc ——钻头侧向力方向角, 单位°。

侧向力方向角 (以钻头基准线为始边, 逆时针为正) 为:

θs=arctan (Fy/Fx) , Fx≥0;

θs=180°-arctan (Fy/Fx) , Fx<0; (14)

式中:Fx——切削齿沿x轴分力之和, 单位kN;

Fy ——切削齿沿y轴分力之和, 单位kN;

θs ——钻头作用力方向角, 单位°。

2.2 基于ANSYS的钻头静态结构分析

2.2.1UG与ANSYS建立无缝连接

ANSYS软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术, 能和以Parasolid为核心的CAD软件实现真正无缝的双向数据交换, 从而使ANSYS 能够得到准确有效的模型数据。将专业三维设计软件UG与有限元分析软件ANSYS结合使用, 利用UG建模软件快速准确建模的特长, 很好的解决了ANSYS建模能力的不足。

2.2.2钻头材料参数设定以及网格划分

1) 单元类型

选取有限元分析的单元类型为10节点的四面体单元solid92, 它更适合于建立精度要求较高, 边界为曲线的复杂模型, 采用三维四面体单元, 每个节点只有3个平移自由度, 3个旋转自由度被约束。

2) 材料属性

选择分析的PDC钻头的钻头体上部为钢体, 下部为碳化钨耐磨合金, 其质量百分率为:碳化钨粉87%, 钴11.7%, 镍1.3%。PDC钻头的切削元件是由人造聚晶金刚石薄层 (约0.6mm) 及碳化钨底层在高温高压条件下烧结而成的整体。由于在钻头三维实体造型的过程中是以mm为计量单位的, 因此为了保持单位的一致性, 材料参数特性如下所示:其中镍铬钢、合金钢, 弹性模量2.06×105MPa, 切变模量7.938×105MPa, 泊松比0.25～0.5, 均为各向同性材料。碳化钨:密度, ρ7.85×10-9N·s2/mm4, 1.19×10-8N·s2/mm4;切削速度是100m/min弹性模量E2.05×105MPa, 5.34×105MPa;泊松比, ν0.3, 0.22;比热, 475Cp (Jkg-1 °C-1) , 400Cp (Jkg-1 °C-1) ;热传导率, λ44.5 (Wm-1c-1) , 50 (Wm-1c-1) ;导温系数α11.93 (×106m2/s) , 11 (×106m2/s) ;热膨胀系数13.7 (μmm-1 °C-1) , 人造金刚石一般要求强度达2500MPa以上。弹性模量为8800MPa。塔河油田井段采用的钻头技术参数见表1。

3) 网格划分

在ANSYS中对刀具的模型进行网格划分, 为了提高计算的准确度, 节约计算时间。对钻头的网格划分的时候将钻头的整体网格单元长度设定为1～4mm, 因为钻头切削部为主要受力体, 载荷主要作用在主切削刃上, 因此, 划分单元时可将切削部划分得细一些, 而导向部分可划分得粗一些, 因而在其切削部分对其进行网格划分的局部设定, 在主切削刃以及横刃上设定网格单元的长度为1mm, 而主后刀面上设定网格单元的长度也为1mm, 通过网格划分的设定减少了网格划分的数目, 同时又提高对零件的主要切削部分的分析精度, IGES是一种被普遍接受的中间标准格式, 用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型, ANSYS的IGES的输入功能是最强的。在此用FACETED选项, 该选项调用增强的几何数据库, 可以在用户不必干预的情况下进行IGES文件的转换, 可以自动合并和生成体, 为模型划分网格做准备。

根据以上处理方案, 采用智能控制的自由网格划分, 用四面体实体单元对钻头进行有限元网格的自动划分, 并对钻头部分进行细化处理。共生成单元数94720个, 节点数57422个节点。其钻头网格细化后的结果如图6所示。

2.2.3钻头静态结构分析的加载以及求解[6]

1) 对钻头施加约束条件

有限元分析是以弹性力学为基础的, 求解弹性力学问题必须满足边界条件。从数学模型方面看, 这是保证结构刚度方程有唯一解所必须的;从物理模型方面看, 这是在给结构施加足够的约束, 以消除结构的刚体位移。文中施加在钻头模型上的约束条件为:底面的所有节点加以固定约束, 限制3个平动自由度。

2) 施加受力载荷

由于其受力比较复杂, 因此可对载荷作一些简化。为了方便合理的施加受力载荷, 本文把网格划分之后的所有节点都转移到圆柱坐标下, 然后在柱坐标下对钻头的切削部分施加受力载荷。把扭矩M和轴向力施加在主切削刃以及横刃上, 并且假设扭矩分别均匀分布在主切削和横刃的各个节点上。前文介绍的 PDC钻头受力及扭矩分析建立PDC钻头切削齿受力模型。

由于PDC钻头刀翼的结构角中刃尖角β是刀翼尖端前后刃之间的夹角, 一般岩石软时, 可取为10°或8°～9°;岩石较硬时, 平均为12°～15°;切削角α是刀翼前刃与水平面之间的夹角, 在其他条件一定时, α角越大, 吃入深度越深, 但α角过大时, 刃前岩石的剪切破碎困难, 钻进时蹩劲大。对于软地层α角应小一些, 对硬地层α角大一些。一般规律是:松软地层α=70°;软地层α=70°～80°;中硬地层α=80°～85°。刃后角ψ=α-β。刃后角必须大于孔底角γ (刀翼以螺旋面的运动轨迹吃入岩石, 螺旋面与水平面的夹角为γ) 。复合片在钻头唇面上安装时, 一般取-10°～-20°的负斜镶并有一定的侧倾角, 如果需要较高转速, 较好的冲洗液流动控制能力, 则应取浅内锥, 锥角较大 (110°～160°) ;如果要突出钻头稳定性, 提高孔斜控制能力, 则应为深内锥, 锥角较小 (60°～100°) 。

根据岩石特性选取刃后角为65°, 同时经查表得知岩石可钻性Kd为6, 由钻头模型可知接触面直径为9.5mm, 钻压为40～80kN。从而计算出钻头在工作时的切削力 (表2) 。

计算完力后在ANSYS中, 点击鼠标右键 进入insert 后点击torce进入加力状态其加力图如图7所示。

2.2.4基于ANSYS的静态结构分析的求解

经过上述步骤, 进入ANSYS求解器, 通过有限元求解得到钻头工作过程中的应力以及应变情况。在ANSYS结果后处理器中, 把钻头经过静态结构分析的总应力应变采用彩色云图的形式表现出来。其静态结构应力如图8所示, 而结构应变如图9所示。从应力以及应变的结果图可以看出, 钻头在钻削的过程中其最大的应力变形在其主切削刃的最外缘的刀尖处, 其最大变形为0.0084mm;而最大的应力在钻头的压力面边缘且应力集中小, 其最大应力值为13MPa, 而硬质合金刚的最大抗弯强度是1079MPa, 最大抗压强度是1000MPa, 检验条件是:σmax≤[σ] ≤σs/γ, 其中:[σ]是材料的许用应力;σmax是实际计算出的最大应力;γ是材料的安全系数, 取γ=2 (γ=1.1-2.5) , 故σmax <[σ]。

通过分析有限元静态结构应力、应变结果云图, 可以得出以下结论:

1) 钻头最大弯曲应力远远小于许用应力, 因此钻头具有足够的稳定性和强度。综合以上推断本文建立的静态有限元分析的模型比较合理。

2) 因为钻头的最大应力在其压力面边缘且应力集中不大, 因此增大钻头压力面厚度或者提高钻头压力面处材料的强度, 可以弥补钻头强度不足的缺陷。同时从结果图上可以看出钻头的最大应变集中在主切削刃的外沿处, 为了提高钻头的耐用度和加工精度, 可以加强钻头主切削刃的刚度, 以此来减少钻头的应变。

3) 从钻头的应力云图上可以看出, 钻头的应力主要集中在钻头的主要切削部分, 即钻头的主切削面的边缘上。因此在刀具的设计过程中, 要提高钻头的耐用度和切削效率, 就是要提高钻头的主切削部分的强度和刚度, 或者通过改变钻头几何形状来改善钻头的切削状况, 降低主切削力和轴向力。

2.3 钻头动态有限元分析

为保持动态分析的一致性, 在对其进行瞬态动力学分析时, 单元类型的选择、施加位移约束条件以及对其进行网格划分的过程和前面的模态分析相同;设定钻头材料参数, 这里主要是设定其弹性模量、泊松比、密度、整体重力加速度;选择有限元分析类型为瞬态动力学分析, 分析的方法采用Full (完全法) ;施加受力载荷:进行瞬态动力学分析时, 对钻头施加的是与时间成正弦规律变化的动态切削力, 本文是把一个周期内时间和力的对应关系施加到其主切削刃和横刃上;设定瞬态动力学分析的时间和步长;经过以上过程完成了钻头的物理模型到瞬态有限元分析的有限元分析模型的转换。进入求解器求解, 得到钻头瞬态动力学的分析结果。进入时间历程后处理器, 本文以钻头压力面作为观察对象, 观察钻头钻削时的径向位移与时间的函数关系, 其结果如图10所示。

分析结果曲线:从图10中可以看到, 钻头的最大振幅与经验值基本符合, 分析结果符合实际情况, 从而证明了本文建立的钻头瞬态动力学方程以及有限元分析模型的正确性, 为提高钻头的切削精度提供参考依据, 也为其他类似刀具的有限元分析提供了一定的理论依据。

2.4 钻头优化设计[7]

由静态结构分析可以得到钻头在工作过程中的应力、应变云图, 分析钻头的应力以及应变情况。为了提高钻头的生产效率、加工精度以及使用寿命, 在钻头的设计过程中, 可以通过对标准的钻头进行合理的刃磨来改变其结构形状和几何参数, 从而改善钻头切削过程中受力以及应变情况。钻头的几何结构的具体修改措施如下所示:

1) 改变图9中4个相对应力集中的切削齿的周向位置角。通过调整图9中4个相对应力集中的切削齿的周向位置角, 可有效控制钻头的不平衡力。

2) 修磨钻头的主切削刃, 通过改变其刃形进而改变其切削刃上各点切削负荷的分布, 同时使切削厚度逐渐增大。从而改善刀具切削过程中的受力分布情况。

通过以上修改以后, 改变了钻头几何结构的形式, 最终得到优化后的钻头几何结构。

3 小结

通过石油钻头的三维重构、运用有限元法对钻头进行应力分析。采用逆向工程软件Imageware对PDC钻头从外形特征与数学特性进行了测量规划, 数据点采集、处理, 借助UG软件建立模型;利用ANSYS软件对PDC钻头进行有限元分析及结构优化。证明了用有限元法进行强度分析具有强大的生命力, 在计算机上即可完成产品的设计过程, 省去了反复试制的过程, 一次就可以制造出最优的产品, 大幅度地提高设计制造效率, 缩短了开发周期, 节省了人力、财力和物力, 大大降低了设计制造成本。采用有限元分析作为钻头结构设计的辅助手段, 使钻头设计工作跃上一个新的台阶。

参考文献

[1]卢芬芳, 徐?, 申守庆.休斯.克里斯坦森公司的新型PDC钻头及牙轮钻头[J].石油钻探技术, 2004 (6) :45.

[2]刘芳, 范文捷, 周万里.聚晶金刚石复合片 (PDC) 应力表征方法的探讨[J].金刚石与磨料磨具工程, 2006 (3) :30-32.

[3]江永正, 周大千, 王新清.油田钻井之钻头受力分析[J].应用科技, 1994 (4) .

[4]宋洵成, 陈会年.考虑切削次序的PDC钻头切削体积计算研究[D].南宁:广西大学学报 (自然科学版) , 2006.6 (S1) :170-174.

[5]张汉国, 孙文磊, 程新平, 等.逆向工程技术在石油钻采工具开发中的应用[J].机械工程师, 2006 (1) :109-111.

[6]赵清云.基于CFX的PDC钻头水力结构优化方法研究[J].石油矿场机械, 2009 (12) :65-67.

复杂实体建模 篇6

三维建模从最初的基于几何造型的线框建模、曲面建模、实体建模发展到现在的基于特征的行为建模等, 已有多种建模方法相继出现, 一批专业的建模软件如:Maya、Pro/E (Pro/Engineer) 等在人体建模方面都有很出色的表现。Pro/E软件系统采用参数化设计, 同时基于特征的实体建模, 是当今CAD技术的先进建模方法之一。本研究尝试以一个人的全身磁共振扫描图片 (MRI) 为基本资料, 在Pro/E软件中建立人体三维实体模型。

1 材料与方法

1.1 材料

本次研究所用的MRI图片是对1位男青年进行全身MR扫描获取图像。拍摄MRI所用MR仪为1.5T Horizon Lx echo speed (GE/美国) , 拍摄过程中视窗 (FOV) 设定为躯干48cm×48cm, 下肢和脚掌30cm×30cm, 上肢20cm×20cm, 头颈40cm×40cm。扫描每张图片厚度为1cm, 全身扫描, 扫描后文件转化为为JPG图像格式, 人体各部分MRI如图1所示。

1.2 方法

1.2.1 数据的采集、转换以及人体立体点数据文件的建立

MRI图片中能够分辨出各种组织器官, 采用Matlab软件编程提取图片中人体各环节边界二维坐标值。在轮廓提取的过程中, 对于边缘轮廓弯曲幅度较大的, 我们采取提高取点的密度, 并进行插值的方法减小误差。

根据MRI图片在拍摄过程中的FOV, 设定转化公式为:Y=X*FOV/512, 将Matlab采集的数据调入Excel中完成数据真实值的转换。

根据提取和转换的二维数据, 结合每一张MRI代表身体表面1cm厚度的外表轮廓, 建立人体三维的点云数据, 创建成Pro/E应用的ibl格式文件:

手动将每条曲线的首尾坐标修改一致, 保持曲线的闭合。修正明显极值点, 在保证曲线真实性的情况下保持曲线的光滑。将各点文件调入Pro/E中进行曲线真实性检验。

1.2.2 导入三维数据, 实现三维人体建模 (大腿为例)

利用基准曲线插入功能将大腿轮廓数据调入Pro/E中, 调入腿部曲线轮廓 (图2) , 利用边界混合特征制生成腿部曲面特征模型 (图3) 。

利用拉伸特征将大腿的两端封闭使之形成一个封闭的整体 (图4) , 利用边界混合曲面功能中实体化功能将封闭后的曲面实体化 (图5) 。

2结果

在MRI图像的基础上, 重建出了人体三维模型 (图5-9) 。

Pro/E中构建的模型, 输入材料密度后, 质量、重心、转动惯量等人体参数均可自动生成, 利用Pro/E与其他分析软件之间数据无缝连接这一特点将模型调入专业运动分析软件如ADMAS, 可以直接进行运动仿真。

3 讨论

在数据的采集过程中, 曲线的真实与光滑程度直接影响曲面及整个三维实体的生成情况。对曲线的点的检查是构建曲面之前最重要的工作。本文所用的MRI图片厚度为1cm, 图片厚度对最后形成的模型的准确性有一定的影响, 特别是曲度变化较大的部分最后出来的图像会出现褶皱部分太多的情况。

人体环节的划分比较复杂, 在进行模型构建时, 对于运用Pro/E掌握技术要求高, 笔者不能完成掌握好其所有功能, 对其运用熟悉程度也有限, 在运用软件上存在自身的局限性, 因此该研究只能作为抛砖引玉的初级作品。另外, 按环节划分实体建模还需要进一步的探索。

摘要：计算机仿真或模拟已在工程、军事、经济、生物医学等领域成为一种重要的研究方法。在运动生物力学仿真研究中所用人体模型目前多采用国家标准参数模型, 而运动员的体形大多处于参数模型的极值部分。因此, 个性化的人体模型对于仿真研究运动技术的结果更准确化具有很重要的作用, 而个性化三维人体模型的构建现在还是空白。本文运用三维建模软件Pro/E, 对1位男青年进行全身MR扫描, 获取图像基本资料, 初步构建出个性化三维人体模型。

关键词：三维实体建模,运动生物力学,Pro/E

参考文献

[1]欧宗瑛, 宋涛, 李晖等.基于CT、MRI断层图像的人体三维建模[J].焦作大学学报, 2003年02期.

复杂实体建模 篇7

1 几何建模

几何建模在广义上包括在计算机上处理几何对象的所有方法。几何建模的基础汇集了多门学科,如拓扑学、解析几何学、微分几何学、投影几何学、数字数学法、集合论和矩阵代数学等,从而形成理论和应用信息科学专业领域,如软件工程、数据结构和图论等。各种领域的这种组合构成几何建模的基础。三维几何体的基本元素是点、线、面和体。根据基本构型的复杂程度不同,可将几何模型分为线框模型、表面模型和实体模型3种形式。

1.1 线框模型

线框模型是表面模型与实体模型的基础,通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体———边———点关系,用物体的棱边或轮廓线(曲线、直线、圆弧)描述零件或产品的形状特征。识别一个物体,是以其棱边的组合结构表示的。顶点与棱边一经确定,物体就被唯一地确定。线框模型仅能描述物体的框架结构,而没有面的信息,故不能进行隐藏线面的消除,不能显示物体的真实图像。

1.2 表面模型

用一组表面表示物体的外形,将棱边有序连接而构成实体的表面结构。表面模型由于增加了面与棱边的关系,所以在数据结构上比线框模型复杂,表面模型所定义的表面实际上完全定义了物体的边界,但是物体的实心部分在边界表面的哪一侧是不明显的。表面模型比线框模型增加了更多的几何信息,可以实现图形的消隐,产生色调图,计算表面积以及数控加工轨迹。但表面模型没有体的信息,因此,表面模型难以保证被描述实体的拓扑—致性,不能完整描述产品的几何特征和物理特征。

1.3 实体模型

用基本体素构造物体,是表达和处理三维物体的一种完整表达模型。虽然实体模型表示仍以表面模型的表面作为边界,但从物体本身的意义讲,物体是实心的。它的内部在表面的哪一侧是确定的,由表面围成的区域内部为物体的空间区域。在数据结构上实体模型要比表面模型复杂,它将表面模型的表面定义成有向面,从而定义体在面的哪一侧。实体模型完整描述了物体的几何信息和拓扑信息。

2 实体建模

实体指的是在空间具有有限体积的物体,它既具有几何特性,如面积、形状和中心等,又有物理特性,如质量、重心等。实体模型一般可以表示实体的几何和物理特性,采用这种模型,可以得到如NC编程、有限元分析、虚拟装配等工程应用所需要的各种信息。

三维实体建模也称体素建模,主要研究如何方便地定义简单的几何形体(即体素),以及如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂形体,并在图形设备上输出的方法。其核心问题是采用什么方法来表示实体,应用较为广泛的方法有构造实体几何法(CSG)、边界表示法(B-rep)。

2.1 构造实体几何法

将—简单的实体(又称为基本体素)进行一定的集合运算构成所需设计的复杂物体。这些体素可以是形状简单的规则物体(如长方体、圆柱体等),也可以是由半空间构成的,如正方体是由半空间x≥0,x≤1;y≥0,y≤1;z≥0,z≤1经集合运算构成。利用这种方法实现实体建模的过程就是集合运算过程,这一过程可以形象地用一棵二叉树———CSG树表示,CSG树定义了物体的构成体素和构造方式。树中的非终端结点表示操作,如移动,正则化交、并、差运算;树的叶结点表示参与运算的基本体素;树的根结点表示集合运算的最终结果。CSG树表示法本身就是用来说明实体的构造过程,记录实体中所含体素的全部定义参数,必要时还可以附加实体和体素的各种属性及特征的描述,但不反映物体的面、边、顶点等有关信息。

2.2 边界表示法(B-rep)

复杂实体建模 篇8

关键词：风力机叶片,Wilson理论,气动设计,MATLAB,三维建模

21世纪以来, 化石燃料的过度燃烧导致了严重的环境污染, 风能凭借其清洁、可再生以及蕴藏量丰富等优点越来越受到重视。目前, 各国都在积极研究风能利用技术, 其中以风力发电技术最为突出[1]。

风力机叶片的气动外形设计直接决定了风轮的气动性能, 从而决定了风力机的风能利用系数。对风力机的叶片进行气动外形设计, 包括决定风轮直径、叶片数、各叶素剖面弦长以及扭转角分布[2]。

文章针对某1.5MW的风力机的设计参数作为原始设计参数, 采用Wilson理论对叶片进行气动外形设计, 结合叶素动量理论[3,4]得到叶片的外形数据, 对风力机叶片进行气动外形设计。利用MATLAB软件进行叶素弦长和扭转角迭代求解以及处理叶素坐标变换, 并采用数值拟合的方法对叶素弦长和扭转角进行修正, 输出叶素剖面的实际外形参数。在无法实现传统建模的情况下, 提出参数导入的建模方法, 将计算结果导入Pro/E软件进行叶片的三维实体建模, 完成叶片的程序化和参数化建模。

1 翼型选择及坐标确定

现代风力机叶片设计大多选择已经成熟的翼型, 风力机叶片的翼型根据使用情况可分为传统航空翼型和风力机专用翼型[5,6]。我国目前尚未开发出风力机专用翼型, 均采用国外的翼型数据, 文章选取NACA翼型[7,8]作为研究的叶片翼型。通过Profili软件的翼型数据库, 我们可以获得NACA4415翼型的气动参数。利用该软件在翼型的上表面和下表面分别取18个点, 输出翼型的原始坐标。翼型的原始坐标是以弦长为X轴, 前缘点为原点O, 如图1所示。通过Profili软件可将翼型的原始坐标直接输出到一个DAT文件中。

通过Profili软件, 还可以得到NACA4415翼型在攻角-13°—13°之间的升阻比曲线和俯仰力矩系数曲线, 如图2所示。可以看出当翼型攻角为6°时, 叶片的升阻比最大, 约为100.3, 此时翼型的气动性能最佳。

2 叶片的气动外形设计

2.1 理论研究

Wilson理论是目前国内外使用最为普遍的一种风力机叶片的气动外形设计的简化设计方法, 以Glauert理论模型为基础, 引入两个干扰因子:轴向干扰因子a和切向干扰因子b[9]。

在设计气动外形时, Wilson理论不计气动阻力对风轮的影响, 但考虑梢部损失的影响。因此可得:

式中:B为叶片数, C为翼型的基准长度, r为某叶素截面到风轮中心的距离, CL为升力系数, φ为半径r处的相对迎风角, F为叶梢损失系数。

对于高速风力机, 尖速比取在5-8之间时, 风轮有较高的风能利用系数, 文章综合考虑后, 将总体设计的尖速比选为7, 叶片数选为3。

2.2 迭代求解各叶素的弦长和安装角

迭代计算的目标在于求解每个叶素剖面风能利用系数的最大值, 而利用MATLAB软件优化工具箱中求解带有约束的优化函数时, 求解的是最小值。根据Wilson理论介绍的优化设计方法, 将设计方法中的优化求解问题转化为:

式中:Cp为风能利用系数, λ为风轮半径r处的尖速比, λ0为额定尖速比。

调用MATLAB中的Fmincon函数, 即可求解出轴向干扰因子a和切向干扰因子b的值。待叶梢损失系数F求出后, 由式 (1) 和 (2) 便可求得每个叶素剖面的最佳弦长C和扭转角φ, 由此可进一步求得叶素的实际安装角θ。

式中, α为翼型攻角, 取6°。

为保证叶片的连续性、光滑度, 需对所求解出的弦长C及扭转角φ进行数值拟合。其中, 数值拟合用的函数可直接调用MATLAB软件中的Polyfit和Polyval两个函数。通过图3的弦长曲线可以看出, Wilson理论计算出的理想叶片叶根处的弦长明显增加, 为方便制造和降低叶片的制造成本, 对叶根处的弦长C做出修正。图3和图4分别为弦长和扭转角的曲线图。

修正后的弦长C及扭转角φ的详细数据如表1所示。

3 叶素剖面实际坐标求解

叶片三维造型前, 需对各叶素剖面进行坐标转换, 使各剖面坐标转化到相应的三维空间坐标中去。表1为NACA4415翼型的原始翼型坐标, 取叶片的气动中心 (X, Y) 为 (0.25, 0) , 以气动中心为原点, 弦长为X轴的叶素剖面坐标即为:

再将上面以弦长为单位1的坐标乘以各个叶素剖面的实际弦长, 得到各叶素坐标的实际坐标值:

将上面得到的叶素的实际坐标按照每个叶素的实际安装角旋转, 最终得到每个叶素在空间中的真实坐标位置。参照表1, 将各叶素距叶根的距离ri作为叶素空间坐标系中的Z轴坐标, 因此叶片的最终坐标即为 (X3, Y3, Z) 。通过求解, 即可得出叶片所取20个叶素剖面的空间实际坐标, 利用MATLAB软件将计算结果直接以TXT文件的格式输出。

4 基于Pro/E的叶片三维实体造型

叶片的曲面造型是利用Pro/E软件中的从点到线 (NURBS曲线) 再到从线到面 (NURBS曲面) 的建模方式。叶片的MATLAB设计程序所得到的设计结果是20个截面所有离散点的空间坐标 (X3, Y3, Z) , 数据量庞大, 极易出错。因此, 将设计程序所输出的TXT叶素坐标文件改编成可以由Pro/E软件可以直接识别的IBL文件, 通过Pro/E软件导入, 就可以生成一组由叶素曲线组成的曲线骨架, 如图5所示。

从图5可以看出, 位于叶根处的叶素的安装角过大。因此以该组曲线生成的叶片曲面将会出现曲面不光滑连续, 从而影响叶片的气动性能和风能利用效率;同时考虑到叶片的根部和轮毂相连接, 为方便两者的连接, 在叶根处采用圆和椭圆作为过渡曲线, 修改后的叶素如图6所示。

叶素修改完毕后, 利用Pro/E软件生成叶片的实体图。图7a所示为叶片的X向视图, 图7b所示为叶片的Y向视图, 图7c所示为叶片空间图。

5 结束语

(1) 建立NACA4415翼型原始坐标, 得到攻角-13°—13°之间的升阻比曲线和俯仰力矩系数曲线, 当翼型攻角为6°时, 叶片的升阻比最大, 约为100.3, 此时翼型的气动性能最佳。

(2) 基于Wilson理论, 利用MATLAB软件进行叶素弦长和扭转角迭代求解, 采用数值拟合的方法对叶素弦长和扭转角进行修正, 输出叶素剖面的实际外形参数, 完成叶片的程序化建模。

(3) 提出参数导入的建模方法, 将各剖面坐标转化到相应的三维空间坐标中, 结果导入Pro/E软件进行叶片的三维实体建模, 完成叶片的参数化建模, 提高了叶片的设计效率和造型精度。

参考文献

[1]龙泽强, 肖劲松.风力发电研究和开发的现状与展望[J].世界科技研究与发展, 2003, 25 (4) :26-29.

[2]ZHANG L D, REN L C, LIAN L J, et al.Shape Design and Three-dimensional Solid Modeling Study of Wind Turbine Blade[J].Wind Energy.2007 (6) :2348-2352.

[3]K.J.Jackson, M.D.Zuteck, C.P.van Dam, et al.Innovative Design Approaches for Large Wind Turbine Blades[J].Wind Energy, 2005, 8:141-171.

[4]M.Grujicic, G.Arakere, E.Subramanian, et al.Structural-Response Analysis, Fatigue-Life Prediction, and Material Selection for1MW Horizontal-Axis Wind-Turbine Blades[J].Journal of Materials Engineering and Performance, 2009.

[5]白井艳, 杨科, 徐建中, 等.水平轴风力机专用翼型族设计[J].工程热物理学报, 2010 (4) :589-592.

[6]刘雄, 陈严, 叶枝全.增加风力机叶片翼型后缘厚度对气动性能的影响[J].太阳能学报, 2006, 27 (5) :489-495.

[7]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2002:83-111.

[8]王承煦, 张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社, 2003:10-98.