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(jì)方法和實(shí)例。

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

對(duì)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(dòng)、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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于真實(shí)機(jī)械系統(tǒng)而言，在二十世紀(jì)八十年代，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。對(duì)一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)在研究過程中，其主要的研究?jī)?nèi)容包括當(dāng)前的動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)三種類型，而虛擬樣機(jī)是在計(jì)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(shì)模擬在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件是一個(gè)基于特征、參數(shù)化、實(shí)體建模的設(shè)計(jì)工具。在solidworks中，通過運(yùn)動(dòng)算例功能可以快速，簡(jiǎn)潔地完成機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)及動(dòng)畫設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)算例可以模擬圖圖形的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(kù)→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(gè)特征關(guān)系的零部件的總稱：

（1）2個(gè)零件應(yīng)該相互接觸；

（2）2個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)子裝配體又可以拆分為不相同的下一級(jí)子裝配體和多個(gè)零件，以此類推直到分解為1個(gè)1個(gè)的單個(gè)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(gè)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(gè)中間節(jié)點(diǎn)就是各個(gè)子裝配體（各個(gè)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(gè)零件）。從圖1中的裝配體樹的相對(duì)父、子關(guān)系可以直接、清楚的看到每個(gè)零件、裝配體見的相對(duì)關(guān)系，也可以更清晰的看到整個(gè)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(kù)

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(duì)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(kù)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(gè)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(jí)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(dòng)方法，根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇。受手動(dòng)方法影響，其自身的自動(dòng)化程度較低，而對(duì)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(duì)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(gè)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(jí)子裝配。第1級(jí)子裝配包括第2級(jí)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(jí)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(jí)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)某跏嘉恢茫瓿烧麄€(gè)裝配過程。

2.4 動(dòng)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(gè)實(shí)體對(duì)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(huì)應(yīng)用當(dāng)前的實(shí)體碰撞與實(shí)體檢測(cè)技術(shù)，以保證其滿足當(dāng)前的要求。在進(jìn)行技術(shù)檢測(cè)過程中，需要合理按照當(dāng)前的檢測(cè)順序進(jìn)行，如主要分為碰撞檢測(cè)、碰撞分析以及碰撞響應(yīng)，合理對(duì)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(duì)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(jiǎn)介：陳濤（1963.），男，重慶人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：電力工程技術(shù)、電力虛擬仿真技術(shù)。