基于UG的自吸離心泵的三維實體造型研究

李廣義，周朝暉(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

基于UG的自吸離心泵的三維實體造型研究

李廣義，周朝暉
(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

文章根據某型自吸離心泵的二維圖紙，結合UG NX 8.0軟件強大的三維實體造型能力，建立該泵三維實體模型。為對其下一步的振動模態分析和流體力學分析奠定基礎。同時，高質量的離心泵三維實體模型與當前迅猛發展的3D打印技術相結合，也為傳統離心泵的生產制造提供新的思路。

自吸離心泵；UG NX 8.0；蝸殼；三維造型

1 概述

UG是由美國UGS公司推出的功能強大的三維CAD/CAE/CAM軟件系統，其內容涵蓋了產品從概念設計、工業造型設計、三維模型設計、分析計算、動態模型與仿真、工程圖輸出，到產品加工成產品的全過程，應用范圍涉及航空航天、汽車、機械、造船、通用機械、數控(NC)加工、醫療器械和電子等諸多領域[1]。

離心泵由于其具有性能廣泛、流量均勻、結構簡單、運轉可靠和維修方便等優點，廣泛應用于工業生產、農業灌溉和日常生活之中。但離心泵因為自身結構原因，不具備自吸能力，在啟動前需預先灌水，很不方便，限制其使用的場合。而自吸離心泵，顧名思義就是在泵啟動前不需要灌水就能夠正常工作的離心泵，彌補了普通離心泵的不足之處。

自吸離心泵的種類較多，狹義上的自吸離心泵主要指通過改變泵體結構使得其具有抽真空能力的離心泵(氣液混合式自吸泵)。氣液混合式自吸泵根據其液體和氣體在泵中混合位置的不同，又分為內混式和外混式[2]。本文中所研究的自吸離心泵就屬于外混式自吸泵[3]。

在離心泵的生產制造過程中，設計出的離心泵并不能直接投入生產制造，傳統的方法是根據泵的水力圖制成模型，通過模型的反復試驗來確定泵的最終數據[4]。該方法過程較長且制作成本較高。隨著計算機輔助設計技術的發展，根據離心泵的二維水力圖建立三維模型對離心泵進行分析優化的方法越來越廣泛的應用。

根據自吸離心泵的二維水力圖數據，在以往利用Pro/E[5]和CATIA[6]等軟件建模的經驗上，結合UG NX 8.0軟件強大的三維建模能力，對該泵的泵體、葉輪、泵蓋等部件進行三維造型設計，為后期對該泵的模態分析和實際生產制造奠定基礎[7]。

2 自吸離心泵泵體的三維造型設計

2.1自吸離心泵泵體分析

由該自吸離心泵的的二維圖紙可以看出，該泵的泵體主要由2部分組成：一是蝸殼，作為流體的主要過流部分，通過與葉輪間的旋轉配合，達到使液體增壓而輸送出去的目的，它直接影響到了離心泵的效率和水力性能[8]，蝸殼的三維造型設計主要根據泵體木模各截面的數據進行；二是外面的殼體，主要起儲存、輸送液體和支撐的作用，由于該泵具有自吸能力，因此其與普通離心泵在結構上有較大區別，造型也更加復雜。對該泵泵體的三維造型設計主要分為2步進行：首先，根據泵體木模的二維水力圖紙建立起蝸殼的三維模型；其次，在蝸殼的基礎上，對泵的殼體部分進行三維實體造型。由于蝸殼其呈螺旋狀的復雜形狀，因此蝸殼的建模是整個離心泵建模的難點，其建模質量會對以后的分析和生產產生重要影響[9]。

2.2自吸離心泵蝸殼部分的三維造型

蝸殼的水力圖主要由蝸殼的平面圖和截面圖組成。在利用UG NX 8.0進行三維實體建模時，主要根據截面造型和沿蝸殼線掃掠的基本思路進行。根據其水力圖首先新建5個基準平面，在各個基準平面上建立草圖并在草圖上繪制出蝸殼的基圓、1-8斷面和9-11斷面的斷面圖。并通過“藝術樣條”命令依次連接各斷面的頂點，繪制出蝸殼線，為下步掃掠生成實體做準備。如圖1所示。

圖1 蝸殼草圖繪制

根據繪制完成的斷面圖通過“掃掠” 命令生成蝸殼包含流道在內的實體部分。由于1-8斷面和9-11斷面的形式不同，同時為了保證2段蝸殼的連續性，需要對這兩部分分別掃掠。首先由“掃掠”命令依次選取1-8斷面外蝸殼部分，在選取時注意各斷面的方向要保證一致，否則掃掠出來的實體會扭曲變形，選擇外蝸殼線和基圓分別作為2條引導線，完成該部分蝸殼實體的造型；同樣由“掃掠”命令完成9-11斷面對應的蝸殼實體。如圖2所示。

圖2 草圖掃掠

之后將2段實體平滑的連接起來，利用UG NX8.0中的“通過曲線網格”命令，在2段實體之間生成光滑相切的曲面，在選擇曲線時，同樣要注意曲線的方向。生成的曲面經“鏡像特征”“縫合”等命令后生成實體。利用“求和”命令使生成的實體與其前后部分結合成新的整體，如圖3所示。

圖3 生成曲面與實體求和

蝸舌部分繼續利用“掃掠”命令將其掃掠出來并與其他部分求和，完成蝸殼包括流道在內部分的三維實體建模。如圖4所示。

圖4 蝸舌掃掠

蝸殼部分的最終生成需要將上述部分與流道部分求差，得到蝸殼實體，而流道部分建模與上述建模過程相同，通過“掃掠”“通過曲線網格”“求和”等命令完成流道部分造型，最終將流道與外側殼體部分“求差”得到蝸殼部分的三維實體模型。如圖5、圖6所示。

圖5 內流道部分

圖6 蝸殼部分

2.3自吸離心泵殼體部分的三維造型

在離心泵蝸殼部分三維造型的基礎上對整個泵的殼體部分進行造型，根據殼體部分與蝸殼的接觸關系并結合掃掠、抽殼、拉伸、回轉等命令來分布完成殼體部分的三維造型。

首先，與蝸殼相連的吸入口管道部分，通過掃掠中的沿引導線掃掠命令完成初步柱體造型，之后利用倒圓角和抽殼命令，最終完成入口部分造型。

其次，外殼部分，通過蝸殼輪廓線投影的曲線和圖紙數據完成草圖，運用拉伸命令完成外殼部分造型，如圖7所示。

其他部分的造型與上述造型方法類似，基本都是通過繪制草圖、拉伸、回轉等命令完成整個泵體的造型，最后在用圓角和倒角命令對細節之處進行處理，最終完成泵體的三維實體造型如圖8所示。

圖8 泵體

3 模型與3D打印技術的結合

精密鑄造生產的鑄件具有尺寸精度高、表面粗糙度值小、加工余量小等優點，因此非常適合離心泵等具有復雜結構的零部件的生產制造。

精密鑄造中鑄件的精度主要由熔模決定，熔模的生產則通過金屬模具壓制成型，有時還需要通過焊接將不同的部位組合在一起。加工周期較長，且金屬模具的成本較高。而熔模一般由蠟料、天然樹脂和塑料等可塑性較強的材料制成，可直接作為3D打印的原材料，因此可與3D打印技術相結合，用于熔模的一次成型。

在使用3D打印時，以本文中建立的該泵三維實體模型為基礎，將其導出為STL文件，然后將該STL文件導入3D打印機的控制軟件中；在控制軟件中設置分層厚度，軟件自動根據設置的厚度將模型切分成一層層的薄片；控制軟件將這些切片的描述信息發送到3D打印機，從而通過該數據控制主、輔噴頭的運動路徑，完成模型的打印[10]。

通過3D打印技術，根據建立的模型，一次性完成熔模的生產，生產過程簡便，流程少，熔模的精度高，后續加工處理少，可大大減少工人的使用，降低生產成本。因此，3D打印技術在離心泵的生產制造環節具有很好的應用前景。

4 結束語

離心泵由于其具有的優勢在日常生活、工農業生產中發揮著重要的作用。然而由于其自身結構原因不具備自吸能力，對使用過程的方便性造成一定的影響。自吸離心泵則是以離心泵的基本結構為基礎，通過對其結構的優化使其具備自吸能力，以彌補傳統離心泵的不足之處[11]。

本文以某自吸離心泵的二維圖紙為基礎，結合UG NX 8.0軟件強大的三維實體造型優勢，對該泵進行三維實體建模。鑒于離心泵蝸殼部分結構較為抽象，以復雜曲面為主，造型過程比較復雜，本文著重對該部分的造型過程進行了詳細的介紹。由于自吸離心泵結構相比于普通離心泵結構更加復雜，通過對該泵的三維實體造型，將二維圖紙轉化為三維實體，使該泵的空間結構能夠直觀的展示出來，克服了傳統二維圖紙的不足。該實體造型也為下一步對泵體的模態分析及流體力學分析打下基礎。同時，三維實體模型與3D打印技術的結合也為離心泵的實際生產制造提供了一個快速、高效的方法。

在通過本文建立的自吸離心泵三維實體模型的基礎上，在后續步驟中將對該模型進行網格劃分、泵體振動模態分析、流體力學分析等一系列的探索和研究，進一步對該自吸離心泵的整體進行優化和改善，以達到減振降噪的目的。

[1] 展迪優. UG NX 8.0快速入門教程[M]. 北京：機械工程出版社，2012.

[2] 全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會. 工業泵選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

[3]馬棟棋. 新型自吸離心泵數值模擬及試驗研究[J]. 排灌機械工程學報，2011(6):483-486.

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[5]俞志君，王基，劉敏. 離心泵參數化三維造型的研究[J]. 流體機械，2009(10):45-48.

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[7] 楊軍虎，孟瑞峰，張云周，等. 基于UG的水力機械蝸殼參數化三維造型[J].蘭州理工大學學報，2012(8):44-47.

[8] 嚴敬. 低比轉速離心泵優化設計[M]. 成都:四川科學技術出版社,1998.

[9] 李沈堅，李春，周碧池. 基于UG的離心泵實體造型設計及研究[J]. 機械制造，2008(11):52-54.

[10]探討3D打印在UG軟件教學中的應用[J]. 軟件開發，2014(3)：67.

[11]郭曉梅，楊敏官，王春林. 自吸離心泵現狀分析[J]. 水泵技術，2001(1):27-29.

To control the vibration and noise,and optimize the structure of a self-priming centrifugal pump,the model of the self-priming centrifugal pump is accomplished with the powerful 3D modeling ability of UG NX 8.0 bashed on the 2D drawing,which lays the foundation for the vibration modal anaysis and fluid mechanics analysis of the centrifugal pump.Besides,a new idea for improving the traditional production of centrifugal pump can also be provided by combining a high-quality 3D model of centrifugal pump with the rapid developed technology of 3D printing.

self-priming centrifugal pump;UG NX 8.0；volute;3D modeling

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.015

李廣義(1991-)，男，山東濟南人，在讀碩士研究生，研究方向為艦船機械設計與優化。

2015-05-22