基于AutoCAD和SolidWorks的汽輪機本體結構三維建模與動畫制作

摘 要：以國產超超臨界660MW汽輪機的三維模型與結構演示動畫的制作過程為例，介紹了一種基于實際設備的CAD二維平面圖紙，利用AutoCad和SolidWorks軟件將二維圖形快速轉換為三維模型的方法。該方法可以顯著縮短三維教學動畫的制作時間，對于專業課教師跟蹤課程所在領域的實用新成果，將最新的設備結構轉換為基本準確的三維立體模型，在教學活動中開闊學生的眼界，培養學生的創新思想和創新意識，具有實際意義。

關鍵詞：AutoCAD;SolidWorks;汽輪機;三維建模;動畫制作

Abstract：Taking the production process of 3D model and structure demonstration animation of domestic ultra supercritical 660MW steam turbine as an example，a method of CAD 2D plane drawing based on actual equipment and quickly converting 2D graphics into 3D model by using AutoCAD and SolidWorks software is introduced.This method can significantly shorten the production time of three-dimensional teaching animation.It is of practical significance for professional teachers to track the practical new achievements in the field of the course，convert the latest equipment structure into a basically accurate three-dimensional model，broaden students' horizons and cultivate students' innovative ideas and innovative consciousness in teaching activities.

Keywords：AutoCAD;SolidWorks;Steam turbine;3D modeling;Animation production

三維動畫因為能夠形象生動地向學生展示汽輪機的內外部結構及各組成零部件，幫助學生快速對汽輪機建立直觀印象，克服后續理論學習過程中的脫節感，因此在汽輪機相關課程教學中被廣泛應用。但是隨著電網電源結構的重大變化，為了適應深度調峰任務，最新設計的國產汽輪機的某些結構特點相比傳統機型發生了很大變化，這就要求我們專業教師能夠及時更新相關動畫資源，豐富教學手段，充分激發學生的學習興趣，滿足“新工科”教育理念對多元化、創新型人才培養的要求。

本文以某國產超超臨界660MW汽輪機為例，介紹了一種基于CAD二維平面圖紙，利用AutoCAD和SolidWorks快速將汽輪機本體結構零件的二維圖形轉換為三維立體模型的方法。模型與實際設備基本一致，應用于汽輪機相關課程的教學中，能夠生動形象地向學生展示實際汽輪機主要零部件的結構及各零部件之間的相對位置關系，幫助學生加深對理論知識的理解。

1 AutoCAD在汽輪機三維動畫制作中的作用

AutoCAD在平面繪圖領域表現優異，還可以快速高效的建立簡單的三維模型。但是AutoCAD的曲面建模功能不完善，需要使用布爾運算來計算交集、并集和差集，復雜的三維模型建立比較困難。

本文僅使用AutoCAD將以PDF文件保存的國產超超臨界660MW汽輪機各零件二維圖紙轉換為DWG文件，并對其進行簡單的預處理，為SolidWorks軟件提供汽輪機各零件的二維草圖。

AutoCAD將PDF圖片轉化為二維草圖時，無法自動識別曲線、文字、點劃線，會將圖中所有的曲線和文字都轉化為“多段線”，原圖中的粗線條會轉化成多條重合的0磅線段，某些地方會出現線條的重合、交叉、未閉合的情況，作為構造線的點劃線會轉化為一段一段的短線段。上述情況都會導致二維草圖無法旋轉或拉伸生成三維模型，所以必須修改后再導入SolidWorks作為建模用的草圖。以高壓內缸前視剖面圖（圖1）為例，處理方法如下：

（1）選擇高壓內缸的正視圖部分并刪除上半部分和所有組成文字的多段線、注釋用直線、所有孔槽以及拉伸凸起細節的輪廓線和相關點劃線、相鄰零部件的輪廓線，然后選中全部，使用“EXPLODE”命令（快捷鍵“X”），將所有多段線分解成單一直線，再將所有圓角的輪廓線生成的多段線用“起點、端點、方向”命令作圓弧，使其與原多段線大致重合，然后刪除原多段線;

（2）測量原圖紙上標注距離的兩點（此處選取進汽中心線和抽汽中心線）的長度，與原圖紙的數據相比較，選中全部使用“縮放”命令，選中任一基點以合適倍數放大，將整個圖形放大到與實際尺寸相當;

（3）使用“合并”法檢驗輪廓的線條是否閉合。選取某直線，再選中與其一端端點連接的直線，使用“合并”命令（快捷鍵“J”）。若合并成功，則說明兩直線剛好相交，合并失敗，則說明兩直線可能部分重合、相交多出一段線或不相交，此時則需要在失敗處局部放大檢查，進行修正后重新合并，直到缸體內外輪廓線合并為一條閉合的多段線。

其余零件草圖處理過程均與此例相似，不再贅述。

2 SolidWorks在汽輪機三維動畫制作中的作用

2.1 三維建模

以高壓內缸為例簡要說明三維建模過程：

（1）打開Solidworks，點擊“打開”選擇用AutoCAD處理后的高壓內缸二維圖，選擇“輸入新零件為”項的“2D草圖”項，得到如圖2所示的高壓內缸下半部分二維草圖。

（2）選擇中軸線（圖2中點劃線）為旋轉軸，選擇面積最大的封閉圖形為旋轉輪廓，利用特征菜單中的“旋轉凸臺/基體”功能將2D草圖旋轉180°[1]，如圖3所示，完成高壓內缸下半主體的三維模型的建模效果。

如果AutoCAD草圖處理步驟面已經閉合，卻依然不能旋轉，則如下處理，首先在原草圖的前視基準面上新建一個與其重合的基準面，然后在草圖繪制下使用“直線”工具，沿原草圖的輪廓描一遍得到新草圖，然后用新的草圖開始建模。此方法唯一的缺點是“直線”工具每生成一條線段都需要2到3秒的時間，對于一個有幾千條線段的草圖來說需要數個小時才能描完。

（3）制作內缸上的突出部件和孔洞。以進汽部分凸臺的制作為例，如圖4所示在適當的位置建立若干基準面，在基準面上繪制草圖，依次使用“放樣凸臺/基體”指令，“拉伸凸臺/基體”指令中的“向外拔模”命令，成形到高壓內缸下半部分實體，使用“拉伸切除”指令，開出進汽通道，最后建立矩形草圖，設置合適角度，使用“旋轉切除”指令將進汽部分外形修型為圓柱面，完成效果見圖5。

其他軸向定位鍵、內缸橫向支撐凸臺等突出體結構和補汽口、回熱抽汽口和支撐墊片螺栓孔等需要開洞的位置，制作方法類似。

圖6為完成后的高壓內缸下半缸三維模型，采用類似的方法依次制作汽輪機的其他主要零部件。

2.2 各零部件三維模型組建裝配體

使用新建“裝配體功能”[2]，點擊“插入零部件”，將所有建立好的某汽缸零部件三維模型按照一定的順序全部依次導入，注意最先插入的零件為固定的零件，不可移動，通過平移、旋轉等操作大致拼出該汽缸的結構，然后使用“配合”指令將相關聯的零部件按照實際安裝情況組合在一起，例如，設定轉子和內缸的關系為“同軸心”，所有的零部件之間的配合關系設定好后就得到了一個裝配體，如圖7為低壓缸裝配體。

接著開始動畫制作，首先打開“爆炸視圖”，以組裝配合的相反過程，依次移動各零部件到合適位置。然后點擊“添加階梯”，逐個添加直到所有部件都被制作為爆炸步驟。最后點擊確定完成爆炸視圖，見圖8。

2.3 三維動畫制作

新建“運動算例”，點擊動畫向導，選擇“爆炸”，設定動畫時間長度和開始時間，自動完成爆炸動畫;在時間軸上增加新的鍵碼，還可以利用動畫向導增加“解除爆炸”動畫;在合適的時間段編輯新的鍵碼點擊動畫向導選擇“旋轉模型”，可以增加零件展示和視角轉換動畫;在所有時間位置設定完成后選擇保存動畫為avi格式，設定動畫相關參數后，再進行運動算例重新計算后獲得動畫avi文件，至此汽輪機三維動畫制作完成。

結語

利用CAD圖紙可以快速獲得二維零件的主要輪廓，相比完全從零開始利用3D動畫制作軟件建立三維模型，大大減少了制作人員的工作量。

通過三維模型爆炸動畫，客觀地反映了汽輪機的安裝和拆卸過程，可以更加直觀地顯示各個零部件的相對位置，從而加深對這些零件作用的理解。

通過旋轉動畫，可以從任意角度、任意方位來觀察汽輪機零部件，客觀地描繪出汽輪機每個部件的結構特點，使學生增強對汽輪機結構的感性認識。

參考文獻：

[1]趙丹.基于Solidworks復雜回轉體零件的建模方法[J].機械研究與應用，2020，33（02）：158-159，171.

[2]褚連娣，婁勇堅.Solidworks裝配體建模技術在產品設計中的應用研究[J].機械管理開發，2020，35（11）：1-3，6.

基金項目：河北省高等教育教學改革研究項目《打造<汽輪機原理>混合式“金課”的課程教學改革與實踐》;項目編號：2019GJJG407

作者簡介：劉樹華（1976— ），男，漢族，河北武強人，碩士，講師，單位：華北電力大學（保定）動力工程系，研究方向：信息化技術在《汽輪機原理》教學中的應用。