三维造型设计技巧分享

三维造型技术是CAD技术发展的重要标志，也是核心之一。随着CAM技术的发展，对CAD/CAM一体化的要求不断提高，三维设计逐渐受到人们的重视。泵的三维实体模型是虚拟装配、干涉检查、机构的运动分析、数控加工、有限元分析、流动分析和性能预测的基础。

目前，国内外学者对泵的三维造型，尤其是对泵的三维自动造型的研究，越来越深入，并取得了不少成果。归纳起来主要有手工设计、参数化设计和变量化设计。

1.手工设计

手工设计是CAD软件的初期阶段，它是通过已经定形的几何形状和具体尺寸来建立几何模型，一般称它为几何驱动的系统（Geometry-Drive System），或称静态造型系统。使用这种系统，一开始就要有确定的几何模型。几何模型一旦确立就很难修改，要修改就必须重新建立。通常的CAD绘图系统只能满足简单的设计、分析和加工的需要。AutoCAD的早期版本就是这种系统的典型代表。王福军^［44］等人于1997年在AutoCAD平台上进行了圆柱叶片的造型研究；高建华^［45］等人利用不具备曲面绘型功能的CAD软件Medusa进行了离心泵叶片和流道的复杂曲面研究；戴勇峰^［46］等人用有限元分析程序对泵体进行了三维实体造型研究。

随着设计功能更为强大的三维CAD支撑软件的推出，研究人员开始利用Pro/E等商业软件进行三维造型。其基本方法为：在二维泵水力设计的基础上，获得全部的三维几何信息，在此基础上通过手工设计建立泵的三维模型^［47］。

采用手工设计进行泵水力部件的三维造型，设计工作量大，每一步都涉及大量的数据查询、数据计算和绘图等工作，并且要求设计人员掌握足够的建模知识。

2.参数化设计

在实际工作中非常需要建立便于动态修改的几何模型，自20世纪80年代初开始研究变形几何及参数化的几何造型方法，参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为设计的主要手段。参数化设计方法是使用约束（包括尺寸约束和几何约束）来定义和修改几何模型。将尺寸作为变量表示，再建立通用的几何模型，改变实体的尺寸，就可以直接生成所需要的几何模型。这种造型系统称为动态造型系统，或称为尺寸驱动的系统（Dimension Drive System）。使用这种系统可以很快地设计出形状相似，几何尺寸不同的某一类零件。参数化设计可以将二维造型和三维线框、表面和实体造型纳入统一的系统，直接实施模型间的转换。在某个模型上进行尺寸和形状的修改，可以直接反映到其他模型上。这种方法的优点是便于设计人员修改，从而缩短了产品的开发周期，降低了开发成本。目前，对泵三维自动造型的研究大多采用参数化设计的方法。泵的三维造型软件开发主要是通过对一些具有参数化设计功能的软件进行二次开发来完成的。目前，三维参数化CAD软件的开发平台主要有Solidworks、MDT和Pro/E等。(www.xing528.com)

Solidworks是基于Windows平台全参数化的特征造型机械设计软件，可以十分方便地实现复杂三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图等。用户还可以将共性特征建立为特征库而多次使用。其二次开发的过程主要为：计算得到离心泵的水力设计参数后，运用COM（Component Object Model）技术，通过Solidworks系统本身提供的COM接口，利用VC进行二次开发来生成离心泵的CAD组件。例如，陈次昌^［48］等人在该开发平台上进行了离心泵叶轮的三维造型设计的尝试，但并没有能够实现三维造型的全自动化，主要还是在手工建模的基础上完成三维造型。

MDT软件具有功能强大、界面友好、易学易用等特点，它是工作在Windows（或NT）平台上的微机三维设计软件包，集AutoCAD全部功能与参数化实体造型、曲面造型、装配造型、二维和三维双向关联绘图于一体。MDT除包含了AutoCAD的全部功能之外，它可以进行大量格式的数据转换。例如，李安虎^［49］在MDT平台上进行了叶轮和蜗壳的三维造型研究；康灿^［50］在MDT平台上对离心泵的三维造型进行研究；王业明^［51］等人基于MDT进行泵站流道设计。他们用二维水力模型提供的信息，探索开发三维CAD造型软件的方法，但未能较好地实现参数化，还不能完全满足实际应用的需要。

Pro/E软件是美国参数技术公司（PTC）的产品，是目前国际上最成熟使用参数化特征造型技术的大型CAD/CAE/CAM集成软件之一。Pro/E系统具有单一数据库、参数化、基于特征、相关性等特点，基于这些特点开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/E软件能将设计至生产的全过程集成到一起，即实现所谓的并行工程。它容易使用，可以极大地提高设计效率。目前研究人员在Pro/E平台上对泵的三维造型进行了不少研究，例如上海理工的李春、倪建华^{［52，53］}等人于2000年对离心泵叶轮进行了三维参数化造型研究；中国农业大学的王海松^［54］等人于2004年对轴流泵进行了三维参数化的研究；江苏大学的汪永志^［55］于2004年在Pro/E上用VB对旋流泵进行参数化三维造型研究；江苏大学的李雯林^［56］通过建立模型泵设计参数数据库来完成三维造型；江苏大学刘敏^［57］开发了泵参数化三维造型软件PCAD-3D，同时建立了该软件和PCAD的数据接口，可以直接用二维水力模型提供的信息对泵进行参数化三维造型。

3.变量化设计

变量化图形支撑系统与以前的绘图和参数化图形支撑系统相比，在很多方面处于领先地位。它具有尺寸参数化设计所不具备的方便修改拓扑结构的功能^［58］。在这个系统中，尺寸标注与图形具有相互关系，一旦用户改变了几何图形，系统自动更改尺寸标注，反之亦然。变量化技术克服了参数化技术的“全尺寸约束”这一硬性规定的干扰和制约，保持了参数化原有的优点。可能是由于泵过流部件尺寸间相互关系的复杂性，目前还未见有人采用这种方法开发泵三维造型软件的报道。但可以预见该方法将是泵三维参数化造型的未来发展方向。

目前国内在离心泵二维设计和三维造型CAD软件开发方面已经取得了较多的研究成果，但是离心泵网格划分软件和内流数值模拟软件还很少，这将是未来我国泵CAD的主要发展方向之一。