基于SolidWorks的机翼型叶片造型
基于SolidWorks的机翼型叶片造型
潘地林 施 昆/安徽理工大学
摘要：在分析翼型叶片造型计算方法的基础上，针对翼型叶片造型的难点，利用三维CAD软件SolidWorks提供的OLE应用编程接口，使用VBA开发了准确绘制叶片截面轮廓曲线的应用程序，并给出了叶轮三维建模的方法和步骤。
关键词：轴流式通风机与压缩机；叶片；造型
中图分类号：TH432.1；TH453 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2007）06-0040-04
The Designing and Molding of Aerofoil Blades Based on SolidWorks
Abstract: According to the difficulties of designing and molding aerofoil blades, a application program which can be used to exactly draw profile curve of blade section is developed with VBA, which is based on the analysis of calculation method for designing and molding aerofoil blades and adopts OLE provided by CAD software SolidWorks. And the method and step for impeller molding with 3-D are also presented.
Key words: axial-flow fan and compressor; blade; designing and molding
0 引言
在轴流通风机和压缩机等产品设计开发过程中，叶片是关键零件之一。其设计制造性能直接决定了整个机器的性能。如果采用传统的设计方法和手工建模，设计效率低，误差大，型面控制困难，不易保证叶片的流体动力学特性。为此，本文在探讨叶片造型设计计算方法的基础上，利用三维CAD软件SolidWorks提供的OLE应用编程接口，使用VBA开发了准确绘制叶片截面轮廓曲线的应用程序，并就叶轮三维建模的方法进行了探讨。
1 叶片造型计算原理
一般对于中、低压轴流通风机常常采用孤立翼型设计法，由于该方法在叶片造型时仅仅是叶片安装角和叶片截面大小发生变化，叶片截面形状与原始翼型几何相似。因此，在已知叶片安装角、叶片弦长和叶片最大厚度等参数的情况下，可以很方便地进行叶片造型。因此笔者重点讨论平面叶栅法中的叶片造型问题。
在轴流风机气动设计中，若已知某叶高处的基元级速度三角形，就可以利用平面叶栅吹风试验数据，根据气动参数和几何参数之间的关系，选择原始翼型，对叶片和叶栅进行造型设计计算[1-2]。
在叶栅设计法中，翼型中线通常采用圆弧形或抛物线形。圆弧形中线可由两段或一段圆弧构成。对于图1所示的双圆弧中线，半径为R1的圆弧在XOY坐标中的方程为
（1）
由XOY坐标与xoy坐标的对应关系可知：
，， （2）
将式（2）代入式（1）可得该圆弧在xoy坐标中的方程：
（3a）
图1 双圆弧中线
同理，R2圆弧在xoy坐标中的方程为
（3b）
设叶型的弯曲角为θ，则设计中一般取，，。
如果翼型中线由一段圆弧构成，则中线在xoy坐标中的方程为
（4）
对于由抛物线构成的翼型中线，其方程为
（5）
图2 叶片截面的上、下轮廓曲线上任一点坐标值都确定
如图2所示，沿弯曲的翼型中线有关坐标点的法线方向叠加原始翼型数据便可以获得所需的叶片截面形状。叶片截面的上、下轮廓曲线上任一点坐标值可以由下式确定：
叶片截面上轮廓： （6a）
叶片截面下轮廓： （6b）
式（6）中x，ye的值可由所选原始翼型提供型值点数据代入计算；yz值根据不同形式的中线分别由式（3）、（4）、（5）确定；中线上任意点的切线方向与x轴之间的夹角φ可由下式计算：
（7）
2 叶片截面绘图程序设计
SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型CAD软件，目前在机械设计制造行业得到了广泛的使用。SolidWorks API是SolidWorks提供的OLE应用编程接口。用户可以利用它并通过支持OLE编程的开发工具，如VBA、Visual Basic、Visual C++等对SolidWorks进行二次开发，建立专门功能的功能模块[3]。
利用SolidWorks提供的VBA工具编写了通风机叶片截面轮廓曲线计算、绘图程序。该程序由用户数据输入模块、数据计算模块和绘图模块等3部分构成。
用户数据输入模块
用户数据输入模块的运行界面如图3所示。主要作用是指定原始翼型、叶型中线形式和相关几何参数输入。由于常见的原始翼型坐标数据不是很多，使用若干个文本文件将常见的原始翼型数据保存在计算机中。用户完成输入操作，点击开始绘图后，程序会根据用户指定的原始翼型，打开相应的数据文件，读取原始翼型坐标点数据。
图3 数据输入模块的运行界面
应该说明的是，原始翼型轮廓的前缘和后缘都是由一段圆弧构成，为了能准确地绘制翼型截面形状，在原始翼型数据文件中添加了相关的圆弧起始点坐标数据。
数据计算模块
该模块的功能是根据用户指定的中线形式以及相关的几何参数，选择前节所述的相应计算公式来计算叶片截面上、下轮廓的坐标数据点，并将计算结果分别存入数组中。
绘图模块
绘图模块的作用是在SolidWorks环境中，在用户指定的作图平面上绘制叶片截面轮廓。使用的命令主要是创建样条曲线命令SketchSpline和三点法创建圆弧命令Create3PointArc，详细的语法格式可参考SolidWorks API的帮助文件。
以下是相关的程序片断：
……
Set swApp = Application.SldWorks
Set swModelDoc = swApp.ActiveDoc
Set swModleDocExt = swModelDoc.Extension
‘开始绘制草图
swModelDoc.InsertSketch2 True
swModelDoc.ClearSelection2 True
‘绘制叶片上轮廓线
For j = n To 0 Step -1
swModelDoc.SketchSpline j, xut(j), yut(j), 0
Next j
‘绘制叶片下轮廓线
For j = n To 0 Step -1
swModelDoc.SketchSpline j, xLt(j), yLt(j), 0
Next j
swModelDoc.ViewZoomTo2 xLt(0), yLt(0), 0, xut(n - 10), yut(n - 10), 0
‘用三点法创建圆弧命令绘制前缘和后缘的圆弧
swModelDoc.Create3PointArc xut(n), yut(n), 0, xLt(n), yLt(n), 0, xbt, ybt, 0
swModelDoc.Create3PointArc xut(0), yut(0), 0, xLt(0), yLt(0), 0, 0, 0, 0
swModelDoc.InsertSketch2 True
swModelDoc.ClearSelection2 True
……
应当注意的是，由于前缘和后缘的圆弧半径较小，在调用绘制圆弧命令之前，要先使用ViewZoomTo2将作图视口放大，否则SolidWorks将不能正确地绘制圆弧。
图4是使用以上程序绘制的叶片截面轮廓曲线。
图4 叶片截面轮廓曲线
3 叶片三维造型步骤
（1）根据通风机设计计算时，对整个叶片的具体划分情况，首先用SolidWorks的“插入”命令创建若干个作图基准平面。分别调用前面编写的叶片截面绘图程序，输入相关参数在每个基准作图平面上绘制叶片截面轮廓。
（2）依次使用SolidWorks的“截面属性”命令，计算并显示每个叶片截面轮廓的重心坐标值；再使用“移动”命令移动叶片截面轮廓草图，使得每个截面的重心都与系统坐标原点相重合。
（3）创建与前述作图基准平面相同数量的圆柱曲面；再使用“分割线”命令，把画在作图基准平面上的叶片截面轮廓线分别投影到相应的圆柱面上。此时，分割线就会在圆柱面上切割出叶片截面的投影曲面。
（4）按住Ctrl键，用鼠标依次点击圆柱面上的叶片截面投影曲面，将它们全部选中；再使用“放样”命令，就得到了单个叶片的三维造型。隐藏所有辅助作图平面和曲面后，得到的叶片三维造型如图5所示。
图5 单个叶片造型
（5）使用圆周列阵命令，得到完整的叶轮造型（图6）。
图6 叶轮三维实体模型
4 结论
对翼型叶片造型设计计算方法进行了总结分析，利用三维CAD软件SolidWorks提供的OLE应用编程接口，使用VBA开发了准确绘制叶片截面轮廓曲线的应用程序。该程序简洁，使用方便，既可以使CAD软件的功能得到充分发挥，又满足了提高设计效率的要求。笔者提出的叶轮三维建模的方法简单实用，具有较强的工程实际应用价值。
参 考 文 献
[1] 商景泰，等.通风机手册[M]. 北京：机械工业出版社，1994.
[2] 昌泽舟，等.轴流式通风机实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005.
[3] 江洪，等.SolidWorks二次开发实例解析[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
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