流体机械整机混合设计开发误差

[摘 要]流体机械的性能,往往受到其极为复杂的曲面外形所影响,而曲面设计,又往往非常耗时耗力,且难以校核.本文以某通风机的整机混合设计为例,阐述了一种同时利用正向及逆向设计的建模及设计思想,在实际应用中,大幅提升了工作效率,并保证了产品品质,效果良好,具有一定的推广价值.

[关 键 词]流体机械；整机设计；混合设计；误差分析

流体机械,是指以液体、气体能流体为介质进行能量转换,实现机械做工的一类设备,在日常生活中应用比较广泛,其工作效率受曲面外形（叶轮、泵壳等）的影响,因此对设计及制造精度均有极高的要求.传统的设计往往仅是单方面额度正向设计或者逆向设计,需要进行多次实践检验与设计修改,才能最终获得令人满意的成品,整个过程中,无论是人力物力及时间消耗,还是实践检验的复杂程度,都严重制约了传统设计理念的发展.本文则创新性地提出了一种同时进行正向设计及逆向设计的混合设计方案,应用于某通风机的实际设计,取得了较好的效果,分析报告如下.

一设计方案初步分析

(一)通风机简介

本通风机属于改造换新工程,隶属于南部某机械厂,安装于厂房顶部,24hr常开,以保证通风,其设计风量3000m3/h,静压210Pa,功率为1.3kw,使用工业电,要求噪音不超过60B,并保证热交换率在70%以上.原设备腐蚀及磨损严重,出于保护厂房工作人员人身安全考虑,该厂决定尽早进行全套更新,而要求我方进行详细设计.

(二)设计方案初步分析

1.正向设计及逆向设计简介

所谓正向设计,一般是指首先进行概念设计,再在此基础上进行CAD建模、CAM编程,进而进行数控加工,从而获得新产品的整个流程.显然,其针对于简单的零件,如主轴、机架、平衡盘等的设计,有显著优势,然而对于复杂产品,即便经验再丰富,机械设计师也无法完全预测出产品在整个设计开发过程中的可能出现的状况,一旦出现局部问题,就有可能导致整个设计开发需要重头开始.

逆向设计,则有效地解决了这类问题,其主要步骤在于：首先对产品样件进行数据采集,获得重要的CAD、CAE及CAM数据,随后进行模型重构,进而再通过数控加工系统制造新产品.可见,进行逆向设计之前,我们往往已经得到了一个不够成熟的原始模型,并且也已获得了原始模型的不足点,需要开展的工作主要是对此模型进行修改、实验,以确定最终的产品细节.显然,因为有了模型及试验的保证,逆向设计的成果往往比单凭经验的正向设计或电脑模拟更加接近实际情况,可以有效节省复杂零件的设计成本.然而针对于简单零件,模型的制作额外带来了麻烦,且其必要性不强,因此,逆向设计主要正对于叶片、蜗壳、管道等零部件.

通风机的重要组成零部件中,既包含带有复杂曲面的零件,又包含极其简单的特征,如果能将正向设计与逆向设计融合在一起,显然能够有效提升通风机的设计制造效率,提升项目双方的经济效益.

2.正逆向混合建模在零件设计中的应用可行性分析

零件是构成完整机械的原子,只有对其进行有效的设计与研发,才能保证产品的使用质量.而几何建模,则是对零件进行设计研发的基础.利用计算机,获取并组织零件的基本特征信息,可以方便我们进行数据的二次加工处理,从而保证零件的精度.

几何建模即能指导正向设计,又能指导逆向设计,因而可以说是混合建模设计,具体而言：一方面,重建的CAD模型可以通过数控加工或快速成型的方式,得出零件实物,经过3D测量、数据处理及曲面重构等过程,可以为正向再设计进行有效的指导,从而获得更为准确的实体参数化造型；另一方面,重建的CAD模型又能指导我们进行参数化特征造型,从而指导基于原型的正向再设计,进而指导逆向设计的曲面重构等步骤.

由此可见,零件混合建模设计具有如下要求：

第一,在设计之初,即需要理清思路,确定数据采集完毕后,逆向和正向再设计采取怎样的工作步骤,能够最好地保证零件构型有效性.

第二,零件的测量建模完成后,还需要细致地分析其结构和功能,以有效实现特征提取,需要特别注意的包括：零件元素的集合约束关系,如多点共线、多面平行等；部分结构即便采用正向设计能够很轻松地得到造型特征,但也需要通过逆向设计确定部分尺寸；逆向设计下对零件进行实际测量,其尺寸精度一般较正向设计时预测精度要高,是参考修正的重要信息.

第三,对于所需设计的零件,在有效的逆向设计,获得了所需数据,重构完成曲面之后,如果确定不需要进行参数修正,即可直接利用正向设计软件继而生成CAD模型.然而遇到参数需要修改,或者还需另外添加特征的情况,则应该修改后,生成新的曲面模型后,再继续后续工作.

总之,从上面的讨论不难看出,部分零部件,如叶轮、轴毂、曲轴和集流器等,使用上述混合设计方案,能够抓住旧产品的重要特征,针对其中不适合现在工作环境的参数,进行适当的修正,可以有效提升新通风机的设计效率,且设计出的产品相较于旧产品,不会出现更多其他的缺陷.

3.正逆向混合设计思想在整机设计中的流程分析

一旦我们通过上述设计方案,确定了构造成通风机的所有零件后,即可将其有效组装成征整机,这便是整机混合设计的基本思想.在详细的设计过程中,我们需要根据各个零部件的功能特点、结构性质等,在保证其能实现基本工作的前提下,通过参数化的二次设计,应用相应的建模方法,将其有效组合.

显然,正向设计完整地表达了新通风机的改造要点,逆向设计则将旧通风机的设计思想准确地反映了出来,两者交替,能够灵活而高效地提高整机设计品质.下图所示,为正逆向混合设计思想在整机设计中的流程.

在进行流体机械整机混合设计过程中,需要关注的要点主要有以下三点：

第一,对原始通风机进行整机分析,是必不可少的,可以帮助我们有效分析出其设计思想.而站在使用性能的角度,对各个零部件的外形特征、结构约束等进行细致的分类,可以让我们有效探明原始通风机的设计及制造流程,从而制定出每一个零件的详细设计建模方法.一般而言,外形较为规则的零件,采用正向设计足矣,而对于需要精确表达的曲面,则优先是用逆向设计,并利用正向酸碱修订参数,其他复杂曲面零件则优先使用正逆向混合建模设计方法.第二,二次开发过程中,必须实现参数化设计,以方便CAD软件建模,并使原型参数迅速变换为设计参数,而参数数据库的存在,也极大地方便了后续修正.

第三,各个零件均建模完成,并不意味着整机的建模也准确无误了,设计上的变化和要求最终还是会反应到零件参数的修正上,因此,必须进行多次虚拟装配,以保证最终能够将各个零部件有效组装.

显然,本文所论及的流体机械整机混合设计是站在整机的角度,去分析各个零件的结构与功能,从而建立零部件的约束特征库,进而分别建立每个零件的模型,并组装成整机的方案,与传统的正向设计和逆向设计均有一定的差异.

二流体机械整机混合设计误差分析

无论是正向设计还是逆向设计,均可能出现一定的误差,累及起来,可能造成严重的危害,这些误差可能出现在原型制造、数据测量等多个环节,误差的计算公式一般以下式为准：

其中,εt指总体误差,后面每一项均一一对应于原型制造误差、数据测量误差、数据处理误差、造型误差和制造误差.

针对于流体机械的设计,如果能够对误差进行实时反馈,指导模型重建,我们就能够通过及时的参数修改,将误差对产品性能的影响降低到最低.在本混合设计开发方案中,原型的点云数据与STL模型之间存在的差异、产品的点云数据与STL模型之间存在的差异之和,即为原型与产品间的误差,能够得到直观展示,可以方便我们进行数据调整.

三方案应用效果

首先,仔细分析通风机叶轮叶片的结构及功能,发现其外形为扭转曲面,轮毂与叶片是一体化设计,共有4片叶片,圆周阵列分布.随后,确定设计流程,先对曲面进行逆向重构,再做点云数据,获得特征线,从而重构曲面.接下来,再修正点云模型误差至达到标准.然后开始正向设计轮毂.最后将重构的叶片曲面与正向设计的轮毂数据共同导入正向软件中进行修改及误差订正,完成三维造型.

在顾及整个通风机工况、工艺、零部件数量、装配方法的同时,兼顾已正逆向混合设计出的叶轮装配要求,进行细致的计算分析,使主轴能够满足受力需求.

(三)整机的混合建模

利用三维设计软件CATIA进行虚拟装配,检测到误差后,立即修正,并将这个修正进而细化到涉及的每一个零部件上.

(四)方案成果

在正逆向混合设计的思想指导下,该通风机的改造工作顺利完成,且与原厂房配合良好,不会破坏厂房原有结构,且通风效果较原有通风机有了很大的改善,不仅噪音大幅降低（经有效测试,全速运行下,噪音亦不超过50dB,而设计要求为60dB）,且有效节省了电能（功率由1.3kw下降至0.9kw）,且整个改造仅花费15d,有效满足了委托方的需求,获得了其大力赞赏.

四经验总结

流体机械的设计一直都是机械设计中的重难点,而其应用又较为广泛,大至航空机械,小至居家实用,均能见到其踪影.其曲面造型设计地好坏,对使用效果影响极大,对高精尖领域尤为如此.本文所研究的对象,虽然尚不属于高精尖领域,但其指导思想却是通用的,能够让我们有效汲取工作经验.

通过本项目,笔者主要获得了以下几点经验.

1、旧产品之所以在某一时间段获得广泛应用,必然有其优势之处,进行改造时,有必要充分分析旧产品的结构和性能优势,以简化改造内容.

2、正向设计与逆向设计均有其独特的优势,然而应用到流体机械的设计上,却又均有其缺陷.让两者优势互补,才是提升流体机械设计效率的有效措施.

3、误差是不能完全消除的,但利用综合设计方法,却能够通过对比,有效地将其控制在较低的范围内.

结束语

混合设计方法比较适应于流体机械的整机设计,一方面,通过逆向设计,我们能对复杂的点云数据进行有效的搜集处理,一方面,又能通过正向设计掌握产品设计意图,获得零部件约束特性.本文以某机械厂通风机的改造设计为例,本着抛砖引玉的想法,提出了这样一个混合设计方法,希望能为相关人员的工作提供一定的参考.

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