葉輪是泵重要的傳遞動(dòng)力部件，為了提高其水力效率，往往將葉片設(shè)計(jì)成復(fù)雜的扭曲形狀。現(xiàn)在對(duì)于葉輪的三維建模都是從已設(shè)計(jì)好的二維木模圖上獲取點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)入三維軟件中，以點(diǎn)線面的方式構(gòu)造。在以往葉片曲面的實(shí)體建模中，多是將葉片表面的型線直接混合，不利于對(duì)曲面的修整。進(jìn)入Pro/E特定的造型環(huán)境下，可以方便地利用各種針對(duì)曲線和曲面的分析編輯工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面光順的有效控制，從而使設(shè)計(jì)出的葉片表面光順，滿足后續(xù)流體分析和數(shù)控制造的要求。

　　引言

　　離心泵在排水灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是從事生產(chǎn)活動(dòng)不可或缺的工具。葉輪是離心泵重要的過流部件，由它將動(dòng)力傳遞給液體。由于葉片承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換的任務(wù)，因此葉片性能的好壞將直接影響泵的水力性能。目前，葉片的設(shè)計(jì)多數(shù)仍基于一元設(shè)計(jì)理論。一元設(shè)計(jì)理論假設(shè)速度沿同一個(gè)過水截面均勻分布，則軸面流速只隨軸面流線的一個(gè)坐標(biāo)變化。而事實(shí)上離心泵葉輪中的流動(dòng)是復(fù)雜的三元流動(dòng)，這種近似與簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)理論在最終效果上無疑會(huì)帶來誤差。再加上基于速度系數(shù)法的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)又存在一些設(shè)計(jì)結(jié)果的不確定因素，因此對(duì)于設(shè)計(jì)好的葉輪需要進(jìn)行數(shù)值模擬，確保滿足使用要求后才可用于加工。另外，傳統(tǒng)的二維木模圖也不利于數(shù)控加工。所以，無論做數(shù)值模擬，還是數(shù)控加工，都需要精確構(gòu)建葉輪的三維實(shí)體。Pro/E具有很強(qiáng)大的曲面造型能力，并且擁有豐富的曲面分析修改工具，利用Pro/E軟件構(gòu)建葉片曲面，可以建立比較光順且精確的葉片實(shí)體。一方面，由于Pro/E與ANSYS軟件有無縫接口，可直接導(dǎo)入其子軟件FLUENT中進(jìn)行流體仿真;另一方面，Pro/E自身也具有良好的數(shù)控加工模塊，可直接進(jìn)行數(shù)字化制造。

1、葉片數(shù)據(jù)的提取

　　葉輪建模的關(guān)鍵在于葉片形狀的繪制。目前，已證實(shí)扭曲葉片在提高水力效率和抗空化性能方面優(yōu)于圓柱形葉片，因此葉片往往被設(shè)計(jì)成扭曲形狀，它反映在空間中是不規(guī)則的復(fù)雜曲面。通常情況下，建立葉片三維模型的方法多是將獲得的點(diǎn)云導(dǎo)入到CAD造型軟件中，利用樣條工具(多數(shù)基于NURBS算法)將這些點(diǎn)擬合成線條，再把線條擬合成曲面[6-10]。它是一種點(diǎn)—線—面、自底向上的建模方式。采集點(diǎn)云的途徑有兩種:一是屬于反求設(shè)計(jì)，是逆向工程的范疇，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等設(shè)備掃描現(xiàn)有葉輪的輪廓，來獲取葉片表面上一系列坐標(biāo)點(diǎn)。這種做法需要先進(jìn)的硬件支持，其建模效果的優(yōu)劣取決于儀器的精度、測(cè)量者的操作以及葉片本身的光滑度。通常需要先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，去除毛刺，然后才可導(dǎo)入造型軟件。二是通過設(shè)計(jì)計(jì)算，然后在二維CAD軟件中繪制木模圖而得，流程如下:根據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求，粗精算葉輪尺寸—葉輪軸面投影圖—流線分段—方格網(wǎng)—軸面截線—木模圖(剪裁圖)。這種做法不需要實(shí)物和測(cè)量設(shè)備，得出的數(shù)據(jù)點(diǎn)也較前者規(guī)整，但設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)前人類似的產(chǎn)品圖樣進(jìn)行參考，這在很大程度上依賴經(jīng)驗(yàn)，并且存在計(jì)算繁瑣和操作重復(fù)的缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)的程序化成為必然趨勢(shì)。在AutoCAD中繪制二維木模圖時(shí)編寫一些簡(jiǎn)單的AutoLISP語句(如while或repeat)，來實(shí)現(xiàn)循環(huán)操作，可有效減輕設(shè)計(jì)者的工作量。目前已經(jīng)有這一類的水泵設(shè)計(jì)軟件問世，在不斷向著高精度、高效率和集成化的方向邁進(jìn)。

2、葉輪的實(shí)體建模

　　葉片的三維造型方法較多，但多是通過掃描、混合或其相似的命令完成。如文獻(xiàn)[6]中提到的插入—混合—伸出項(xiàng)—旋轉(zhuǎn)命令，就是對(duì)葉片過中心軸的等角度軸截面做掃描。由于葉片表面的型線可由等間隔軸垂面和等角度軸面兩種面系與葉片表面形成截交線，因此葉片表面的點(diǎn)數(shù)據(jù)有橫向和縱向兩種排列方式，這樣就有相應(yīng)的兩種混合方式形成葉片前后曲面。本文使用后一種做法，利用縱向數(shù)據(jù)橫向混合。用圖1所示的葉片軸面投影圖和木模圖(未出示)進(jìn)行三維造型。在已取得葉片表面有效數(shù)據(jù)的前提下，葉輪的三維建模包含如下幾個(gè)步驟。

圖1軸面截線圖

3、結(jié)束語

　　從整個(gè)造型過程來看，對(duì)于葉片進(jìn)口處靠近前蓋板的葉尖區(qū)域的處理是整個(gè)建模的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這部分的曲率變化較大，扭曲葉片的特性就體現(xiàn)于此，而從木模圖上得出的葉尖處數(shù)據(jù)不多甚至不精確，這就有可能造成光順以后的葉片不一定達(dá)到預(yù)期的水力效果。因此，在做流體仿真時(shí)應(yīng)對(duì)這個(gè)地方予以足夠的重視。

　　現(xiàn)在葉輪造型主要還是先在二維繪圖軟件中繪制出木模圖，從中獲取數(shù)據(jù)后再導(dǎo)入三維軟件中造型，這從設(shè)計(jì)的角度上并不簡(jiǎn)便，而繪制木模圖對(duì)軟件的平面操作性能要求較高，在三維軟件中進(jìn)行平面設(shè)計(jì)就顯得有難度。要想在三維軟件中實(shí)現(xiàn)一站式造型，就必須把圖形操作用數(shù)理計(jì)算來替代，為此就需要構(gòu)建數(shù)學(xué)方程，去近似擬合成葉片曲面的骨線。

　　本文論述了離心泵扭曲葉片在Pro/E4.0中的造型與曲面分析方法，建立了比較精準(zhǔn)的葉輪實(shí)體，為離心泵全流道的流體仿真和葉輪的數(shù)字化制造打下了基礎(chǔ)，從而保證離心泵在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有較好的抗空化能力和較高的水力效率。