基于補面法和UG的離心泵蝸殼三維模型設計研究

余鴻剛, 王正初, 盧圣毆, 倪晨超

（臺州學院 航空工程學院，浙江 臺州318000）

0 引言

離心泵蝸殼又稱離心泵螺旋壓水室，是離心泵將流經葉片的流體動能轉化為壓力能的過流部件，其主要工作方式為收集離心泵葉輪所流出的液體，并輸送到排出口或下一級葉輪吸入口[1]。離心泵蝸殼的形狀參數決定了流體能量的損失大小，直接影響了離心泵的工作性能[2]。隔舌是將蝸殼螺旋段和擴散段隔開的部位，對蝸殼的加工制造及整個流道數值的仿真模擬起著關鍵性作用[3]。利用UG軟件創建由參數驅動的蝸殼的三維模型，能夠高質量、高精準地體現蝸殼的三維參數，為后續的數值模擬奠定良好基礎。

已有不少文獻都介紹到了蝸殼的三維造型方法和過程，但是都存在一定的問題。文獻[4]中主要講解蝸殼工程圖及各個斷面的對應于UG中螺旋段的造型過程，但其隔舌的繪制描述比較簡略，結果也不夠精準，并且其在UG中每各斷面都要進行建立平面后繪制，比較費時。文獻[5]重點體現了蝸殼由二維繪制成三維模型的過程及蝸殼的過渡段的準確度對其參數化的重要性，但過渡段的建模方法具有一定局限性。文獻[6]提到利用片體縫合的方法繪制隔舌，結合布爾計算繪制的蝸殼相對比較精準，但具體步驟并不完整，沒能完整地將片體的生成方式體現出來，且該方法對蝸殼的形狀有一定要求，存在局限性。本論文提出的基于補面法和UG的離心泵蝸殼三維模型設計方法較好地解決了上述的問題。

1 工程實例

以1個一級單級離心泵蝸殼為例（如圖1），將蝸殼分為螺旋段（1～8斷面），擴散段（9～10斷面）和過渡部分及隔舌，基圓直徑為170 mm，蝸殼進口寬度為12 mm，隔舌安放角約30°，出口直徑為40 mm，擴散段長為93 mm。現分步進行三維模型設計。

圖1 蝸殼各斷面示意圖

2 基于UG的離心泵蝸殼模型設計方法

2.1 蝸殼的工程圖的預處理

1）對圖1中斷面調用“平移”（“”為引用CAXA命令），將各個完成縮放至1:1的斷面移動到蝸殼輪廓線對應位置，并將每個斷面補全成封閉圖形，如圖2所示。最后將整個圖形的中心移至CAXA繪圖中心方便導入UG。

2）在所導入的二維工程圖（如圖2）的基礎上，調用“移動對象”中的“角度”（“”為引用UG中的命令，下同）將所有斷面旋轉至垂直于基圓所在平面，如圖3所示。

3）調用“移動對象”中的“將軸與矢量對齊”將所有斷面準確定位到其三維空間位置上，如圖4所示。

4）刪去多余的軸線，完成預處理，如圖5所示。

圖2 CAXA中的蝸殼斷面處理圖

圖4 UG中的蝸殼斷面處理圖b

圖5 UG蝸殼斷面處理圖c

2.2 蝸殼三維設計模型設計

蝸殼螺旋段、擴散段輪廓線均是圓滑的曲線，各斷面輪廓線為倒圓角的梯形，擴散段由第8斷面至蝸殼出口，由類橢圓的樣條曲線光滑過渡為圓。隔舌為螺旋段與擴散段圓滑過渡位置，其形狀應同蝸殼輪廓線相適應。為準確表達模型特征，提高設計質量，對蝸殼螺旋段和擴散段采用“掃略”進行建模；對于隔舌，采用UG曲面建模。以下對上述兩種操作進行描述。

2.2.1 掃略

首先進行螺旋段建模，調用“掃略”，截面線選擇1～8各個斷面（截面線的起始點和方向需要一致），引導線選擇蝸殼基圓，同時注意方向。因各個斷面在二維圖樣上補全方法是由對稱得出，因此有著對稱的點，界面選項差值可以選擇“混合”，對齊選擇“根據點”，繪制出螺旋段三維模型。

擴散段依舊采取“掃略”的手法，引導線選擇蝸殼出口輪廓線。為保證選擇界面曲線時的起始點和方向相同，在9～10斷面及蝸殼出口截面在同一位置（最好在對稱軸處）進行打斷，再進行建模，如圖6所示。

2.2.2 以補面法進行隔舌的建模

1）建立平面1，該平面與基圓所在平面的距離是蝸殼進口寬度的1/2，在平面上繪制基圓的投影弧線，如圖7所示。

2）在 第9 斷面添加平面2，在上面繪制輔助線（按實際需求以及經驗選取適當長度，該長度應略長于蝸殼進口寬度），如圖8所示。

3）調用“掃略”構建8斷面和9斷面上部分的片體，如圖9所示。

4）調用“通過曲線組”構建小片體（如圖10）后鏡像使之對稱。

5）在基圓所在平面用藝術樣條以適當偏置量勾勒隔舌（如圖11），拉伸內側的藝術樣條成工具片體（圖12）。

6）利用工具片體修剪小片體，如圖13所示。

7）在隔舌與蝸殼基圓相交處創建一個新的小斷面（如圖14）與第1斷面進行“掃略”（如圖15）（小斷面的形狀需要根據經驗對比第1斷面的形狀來進行繪制）。

8）補全過渡段的所有面：a.調用“有界平面”構建第8斷面和第9斷面上部分的片體（如圖16）；b.調用“通過曲線組”構建下半部分片體（如圖17）、（如圖18）；c.將過渡段所有片體進行“縫合”完成實體建模，如圖19所示。

圖6 蝸殼螺旋段及擴散段的掃略建模

圖7 平面1

圖8 第9斷面輔助線（平面2）

圖9 8-9斷面間上部分片體

圖10 通過曲線組構建小片體

圖11 隔舌勾勒圖

圖12 裁剪的工具片體

圖13 修剪后的小片體

圖14 小斷面

圖15 第1斷面與小斷面的掃略建模

圖16 第8、第9斷面的有界平面

圖18 8-9斷面下半部分片體b

圖19 片體縫合為實體圖

圖20 第9斷面下部分和小斷面的掃略建模

圖21 蝸殼實體圖

圖22 蝸殼剖面圖

9）對第9斷面下部分和自行創立小斷面進行“掃略”，如圖20所示。

2.3 合并所有實體得到完整的蝸殼三維模型

最后將以上補面法得到的過渡段及蝸殼的螺旋段和擴散段進行布爾計算（合并），得到的蝸殼，由其剖面圖可看出是個完整的實體，且在隔舌處體現出了光滑過渡的特征，如圖21、圖22所示。

3 結論

本文介紹的基于UG的離心泵三維模型設計，采用“掃略”、“通過曲線組”、“縫合片體”等曲面建模方法，使得蝸殼的實體模型完整且準確。關鍵的隔舌按照工程圖及實際工程需求來進行繪制，所采取的補面思維在其他領域也較為常見，操作清晰明了并符合蝸殼過渡段能圓滑過渡螺旋段和擴散段的要求。同時在三維建模前進行的預處理，省去了每個斷面都要建立平面并繪制的步驟，縮短了建模時間，提高了模型設計的質量，對蝸殼以及其他三維模型設計有一定借鑒意義。