基于Pro/E平臺的誘導輪參數化造型軟件開發

莊宿國，羅 鵬，侯寧濤，楊霞輝

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

誘導輪屬于軸流式葉輪，用于提高離心泵的汽蝕性能，其本身也可以在一定程度的汽蝕狀態下工作。國內相關研究表明：在改善泵汽蝕性能的諸多措施中，在泵的吸入口加裝誘導輪效果最為顯著[1－4]。

誘導輪的設計精度要求較高，且由于其包角較大及葉片型線變化規律復雜等因素，在設計時不易觀察流道或葉片的空間形狀，因此誘導輪三維造型有助于及時反饋設計信息，提高誘導輪水力設計的精確性，并且隨著CFD技術和快速成型技術的迅速發展，誘導輪參數化三維造型軟件的開發具有重要的研究價值和工程意義[5－6]。張濤、郭曉梅等對誘導輪三維造型方法進行了相關研究，但未涉及到三維造型的參數化方面[7-8]。

選用Pro/E為開發工具、Pro/TOOLKIT為二次開發平臺、采用C++為編程語言[9]，開發了誘導輪的參數化三維造型軟件（PIND-3D），實現誘導輪三維造型的參數化，進一步提高了誘導輪設計的效率和質量。

1 誘導輪結構分析

典型的誘導輪二維水力圖如圖1所示，設計時首先根據輪轂進口直徑dh1、輪轂出口直徑dh2、輪緣直徑Dy、輪轂軸向長度hh、葉片數Z、進口修圓半徑R以及包角φ等數據繪制誘導輪的軸面圖和徑向圖，然后繪制誘導輪葉片的型線展開圖，并根據經驗和要求進行葉片背面加厚和相應的倒角處理。

圖1 誘導輪水力圖Fig.1 Hydraulic design drawings of inducer

2 建立誘導輪三維實體模版

在對誘導輪結構分析的基礎上，進行誘導輪的三維造型，步驟如下：

1）根據型線展開圖尺寸數據，計算誘導輪葉片型線各點的圓柱坐標（R，θ，Z），其中輪緣進口修圓部分按軸面圖及徑向圖尺寸計算，并將各點擬合成空間曲線，如圖2（a）所示。

2） 將空間曲線以邊界混合命令生成曲面，并合并各曲面，如圖2（b）所示，保證曲面封閉。

3）生成葉片實體，并根據葉片數進行陣列，如圖 2（c）所示。

4） 根據設計尺寸，建立輪轂，如圖2（d）所示。

在進行誘導輪三維造型的過程中，進行尺寸標注，實現幾何圖形的全約束，保證設計參數與三維模型設計變量相互對應。

圖2 誘導輪三維造型步驟Fig.2 Steps of inducer three-dimensional sculpting

3 誘導輪參數化三維造型軟件開發

誘導輪參數化三維造型流程如圖3所示，它包括手動輸入數據和讀入PIND-2D（誘導輪二維水力設計軟件，目前集成于PCAD軟件中）[10]數據兩個模塊，數據滿足條件后，軟件會自動生成三維造型。以讀入PIND-2D數據為例，首先應用PCAD的PIND-2D模塊進行誘導輪的二維水力設計，然后讀取二維水力設計數據并判斷幾何尺寸是否完全封閉，接著通過主函數對三維實體模版各尺寸參數進行更新并通過尺寸驅動重新生成需要的三維實體[11]。

圖3 軟件開發流程圖Fig.3 Flow chart of software development

3.1 讀取并檢查數據

在PCAD中進行二維水力設計后得到誘導輪的二維水力模型。PCAD中誘導輪程序是通過定義一個結構體來保存三維造型所需的數據，相關函數為getdata()和savedata()。

在本程序中定義同樣結構的結構體來獲取水力設計產生的數據，然后把讀取的結構體中的數據賦給相應的控制參數。讀取輪轂進口直徑dh1、輪轂出口直徑dh2、輪轂軸向長度hh、沿輪轂型線展開的各點坐標及沿輪緣型線展開的各點坐標等數據。因為需要通過曲面建立誘導輪的實體特征，所以要判斷是否可以形成完全封閉的曲面。

3.2 接口程序開發

在Pro/E平臺上利用Pro/TOOLKIT為開發工具進行二次開發。在進行數據傳輸和數據交換時，需要考慮程序與Pro/E以及同用戶之間的交互性問題。利用MFC強大對話框功能實現程序與用戶的交互，應用同步DLL方法實現程序與Pro/E 同步[12]。

3.3 主要函數

Pro/TOOLKIT應用程序的核心是用戶初始化函數user_initialize()和用戶結束中斷函數user_terminate()。user_initialize()函數是Pro/E和Pro/TOOLKIT的通信入口，在該函數中設置用戶的交互接口，如設置菜單、調用對話框或直接調用所需函數等[13]。程序的主要部分如下：

對誘導輪三維模型中的設計參數進行賦值時,必須一一對應。更新賦值后即可進行模型再生。誘導輪參數化造型主要控制函數為inducer()，程序的主要部分如下：

3.4 加載、運行及卸載

注冊Pro/TOOLKIT應用程序，就是向Pro/E系統提供該程序的相關信息。注冊文件是一個文本文件，注冊文件名為protk.dat，保存在＜盤符：＞程序子目錄。

選擇Pro/E的工具/輔助應用程序菜單項，選擇“注冊”按鈕注冊應用程序。注冊成功后選擇“啟動”按鈕運行應用程序。圖4（a）為注冊PIND-3D應用程序的界面。如果在注冊文件中包含了多個應用程序的注冊內容，則在列表框中顯示相應的應用程序名[14]。

如果在注冊文件中設置ALLOW_STOP為TRUE，可以手動中止應用程序的運行即卸載。選擇需終止運行的應用程序，先選擇“停止”按鈕，再單擊“刪除”按鈕，如圖4（b）所示。

圖4 運行或卸載輔助應用程序Fig.4 Auxiliary procedures of running or unload

4 誘導輪三維造型軟件的設計實例

圖5為使用PIND-3D軟件的誘導輪實體和水體的三維造型。該誘導輪的設計參數如下：Qi=22.2 L/s，Hi=2.8 m，n=1 450 r/min。

圖5 誘導輪三維造型實例Fig.5 Instance of inducer three-dimensional sculpting

由圖5可知，軟件生成的誘導輪的三維模型過渡光滑且Pro/E光順性檢查表明葉片表面光順性良好，可以滿足工程應用的要求。

5 結論

分析了誘導輪的結構特點，成功建立了誘導輪實體模型，開發了誘導輪三維造型的參數化軟件。應用實例表明，軟件運行結果可靠且具有良好的通用性；為誘導輪水力設計檢查提供了保障，進一步提高了誘導輪設計的效率和質量；同時，提高了誘導輪數值計算的效率，縮短了誘導輪的研制周期。

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