撰文/河北工程大學(xué)水電學(xué)院　范江峰　李丙堯

基于ScanTo3D插件的水輪機(jī)葉片建模研究

撰文/河北工程大學(xué)水電學(xué)院范江峰李丙堯

在進(jìn)行有限元分析的過程中，我們主要關(guān)注的是對(duì)建立的模型進(jìn)行分析所得到的結(jié)果，本文旨在找到一種快速的建模方法。通過對(duì)水輪機(jī)葉片木模圖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用SolidWorks中ScanTo3D插件，找到一種較為方便的三維葉片實(shí)體生成方法。實(shí)踐結(jié)果證明，利用這種方法，生成葉片的速度得到了一定的提高。

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)水力機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展，對(duì)已有產(chǎn)品或模型進(jìn)行有限元分析，已經(jīng)是改進(jìn)和優(yōu)化產(chǎn)品的必由之路。通過分析，設(shè)計(jì)研究人員可以對(duì)模型進(jìn)行修改從而優(yōu)化水力機(jī)械的設(shè)計(jì)，提高水力機(jī)械的運(yùn)行效率并改善機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。在各種不同類型的水輪機(jī)當(dāng)中，混流式水輪機(jī)相對(duì)復(fù)雜，其葉片擁有一種復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片進(jìn)行建模往往要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。目前建立水輪機(jī)葉片模型主要有三種方式：通過葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的流線坐標(biāo)建模，通過測(cè)繪點(diǎn)建模，以及通過水輪機(jī)葉片的木模圖建模。目前廣泛采用的是通過水輪機(jī)葉片的木模圖建模，但這種方式也存在一定缺點(diǎn)，例如導(dǎo)入圖形步驟繁瑣等。

本文通過實(shí)踐，利用木模圖數(shù)據(jù)和ScanTo3D插件，找到一種可以方便地導(dǎo)入木模圖數(shù)據(jù)生成葉片的正反兩側(cè)曲面，進(jìn)而形成葉片實(shí)體的方法。

二、對(duì)于傳統(tǒng)建模方式的思考

對(duì)于通過流線坐標(biāo)建模方式來說，獲得葉片的流線坐標(biāo)需要對(duì)葉片進(jìn)行軸面流線的劃分，從而讀取出一系列空間流線點(diǎn)，通過樣條曲線連接這些點(diǎn)生成空間曲面。這些過程比較繁瑣，需要一定的高等流體力學(xué)以及水力機(jī)械分析和計(jì)算知識(shí)，并且讀點(diǎn)不精確就會(huì)導(dǎo)致葉片流面產(chǎn)生各種缺陷。對(duì)于測(cè)繪點(diǎn)建模方式來說，測(cè)繪點(diǎn)的獲取需要借助一些輔助設(shè)備，比如激光掃描儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和光學(xué)測(cè)量?jī)x等，進(jìn)行葉片的三維掃描從而獲得大量的空間點(diǎn)。在SolidWorks中應(yīng)用ScanTo3D插件導(dǎo)入空間點(diǎn)云文件利用曲面工具即可生成葉片模型。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但水力機(jī)械體積過大，掃描點(diǎn)太多會(huì)造成內(nèi)存被大量占用使得計(jì)算機(jī)運(yùn)行緩慢，建模時(shí)間過長(zhǎng)。而且，在水輪機(jī)運(yùn)行過程中起吊一次轉(zhuǎn)輪會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以一般都是掃描小比例模型，如果轉(zhuǎn)輪實(shí)體不易獲得且沒有小比例模型，這種方法也就失去了意義。出于對(duì)實(shí)用性的考慮，目前主要是通過木模圖建模。

水輪機(jī)葉片的木模圖是主流的水輪機(jī)葉片二維設(shè)計(jì)保存方式，木模圖通常包括葉片的等高截面線的平面視圖和軸面視圖，在一張木模圖上往往有十幾個(gè)等高截面圖，分別表示不同高程的葉片截面形狀。普遍的做法是將這些截面圖分在不同的CAD文件中，在SolidWorks中建立對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)面，然后將截面圖依次導(dǎo)入進(jìn)SolidWorks的不同基準(zhǔn)面上。通過放樣來生成曲面。最后通過對(duì)放樣引導(dǎo)線的修改，曲面縫合，以及葉片形狀裁剪等操作來實(shí)現(xiàn)葉片的實(shí)體建模。這個(gè)問題有很多人討論過，這里不在贅述。

在利用木模圖建立模型的同時(shí)，也暴露出一些缺點(diǎn)。水輪機(jī)木模圖導(dǎo)入SolidWorks中需要進(jìn)行分層導(dǎo)入，首先將一張CAD圖樣上的各截面圖分別復(fù)制到不同CAD文件中去，再在SolidWorks軟件中建立對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的參考基準(zhǔn)面，導(dǎo)入各CAD文件中的截面圖并設(shè)置其相應(yīng)的空間位置。大量的對(duì)圖形文件的處理增加了工作步驟，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)建模的效率，占用了有限元分析和改型過程中的大量時(shí)間。

三、ScanTo3D插件簡(jiǎn)介

ScanTo3D插件是達(dá)索公司開發(fā)的SolidWorks軟件中加入的一項(xiàng)功能，該插件2007年加入到SolidWorks軟件，用戶可以方便地從任何掃描器打開掃描數(shù)據(jù)（網(wǎng)格或點(diǎn)云文件）或從數(shù)學(xué)軟件中打開曲線數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，然后將之轉(zhuǎn)換成曲面或?qū)嶓w模型。ScanTo3D 大幅度減少了從非數(shù)碼數(shù)據(jù)建造復(fù)雜 3D 模型所需的時(shí)間。ScanTo3D插件可以讀取的數(shù)據(jù)類型主要有網(wǎng)格文件和點(diǎn)云文件。由于點(diǎn)云文件數(shù)據(jù)量太大常導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行緩慢。所以目前應(yīng)用比較廣泛的是網(wǎng)格文件。但從另一個(gè)方面來講，如果數(shù)據(jù)量合適，點(diǎn)云文件也是可以通過ScanTo3D插件來導(dǎo)入的。

ScanTo3D插件最早應(yīng)用于反求工程中，即利用已存在的物品通過掃描等技術(shù)手段獲得該物品的表面網(wǎng)格數(shù)據(jù)或點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而通過三維設(shè)計(jì)軟件來得到其三維的數(shù)據(jù)模型。其優(yōu)點(diǎn)是獲取的是數(shù)據(jù)文件，便于計(jì)算機(jī)的處理和分析。由于在測(cè)量過程中不可避免的會(huì)引入一些誤差，所以在SolidWorks軟件中還提供了兩種消除噪點(diǎn)的方法，一種是通過圖形界面觀察與實(shí)體差異較大的點(diǎn)，通過刪除或修改其空間位置來優(yōu)化點(diǎn)的分布。一種是在網(wǎng)格文件中消除面積小于設(shè)定值的網(wǎng)格從而優(yōu)化網(wǎng)格分布。

四、CAD圖樣坐標(biāo)數(shù)據(jù)的獲得與處理

在以往的建模過程中，大家往往直接將CAD中的截面圖導(dǎo)入三維造型軟件中。筆者在實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)，這些工作非常煩瑣并且重復(fù)率高，但直接對(duì)圖形進(jìn)行處理又有一定的難度。筆者結(jié)合實(shí)踐，在已有的CAD格式的水輪機(jī)葉片木模圖中，通過一些CAD輔助軟件，比如“批量拾取坐標(biāo)到excel”（圖1），“批量獲取CAD點(diǎn)坐標(biāo)”等軟件，在CAD文件中，按截面順序在對(duì)應(yīng)的等高截面圖中按順序拾取能反映該高程葉片截面特征的15～25個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便于用計(jì)算機(jī)處理。注意采集坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)中間不可產(chǎn)生順序交叉的點(diǎn)，要按照一定順序在二維曲線上依次取點(diǎn)，否則會(huì)生成交叉曲線導(dǎo)致曲線生成失敗。

在水輪機(jī)木模圖中，葉片截面是以二維圖的形式存在的，如圖2所示，設(shè)其右下角的位置坐標(biāo)為（X，Y），截面曲線特征點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y）。每個(gè)截面圖的（X，Y）位置是相對(duì)固定的，在三維模型上，這些點(diǎn)應(yīng)該在一條直線上。在獲取和導(dǎo)入曲線坐標(biāo)點(diǎn)的過程中依靠其坐標(biāo)值來定位各不同截面曲線的空間位置。

圖1　批量拾取坐標(biāo)到excel軟件截圖

圖2　單個(gè)截面圖坐標(biāo)系

得到一個(gè)截面的坐標(biāo)點(diǎn)后，通過每個(gè)截面圖坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)值，如圖2所示在木模圖給出的單個(gè)截面圖坐標(biāo)系中建立公式：

在Excel圖表中可以很方便地通過公式（1）和（2）計(jì)算出該截面各點(diǎn)二維坐標(biāo)（x，y）對(duì)應(yīng)的三維空間坐標(biāo)（x'，y'）。在第三列輸入對(duì)應(yīng)截面的Z坐標(biāo)（截面高程），一個(gè)截面的數(shù)據(jù)便可完成，同理可獲得所有截面圖的坐標(biāo)值（x'，y'，Z）。最后將這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)制到一個(gè)txt文件（圖3）中，各截面數(shù)據(jù)間用空行分割，否則在導(dǎo)入SolidWorks軟件后會(huì)生成一條連續(xù)的螺旋線，顯然這是不能用于放樣曲面和建立模型的。

若通過SolidWorks軟件中的“插入-曲線-通過XYZ點(diǎn)的曲線”導(dǎo)入只能一層一層地導(dǎo)入。即使用空行分割各截面坐標(biāo)數(shù)據(jù)同樣會(huì)生成一條連續(xù)的螺旋線。所以我們?cè)谶@里只能使用ScanTo3D插件來導(dǎo)入坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

五、數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

準(zhǔn)備好坐標(biāo)點(diǎn)文件以后，在SolidWorks軟件中“SolidWorks插件”工具欄中打開ScanTo3D插件功能。按“工具-ScanTo3D插件-曲線向?qū)А表樞虼蜷_曲線向?qū)?duì)話框（圖4）。在“網(wǎng)格/點(diǎn)云/文件（M）”對(duì)話框中選擇準(zhǔn)備好的txt文件，導(dǎo)入到SolidWorks軟件中。如果之前沒有錯(cuò)誤便會(huì)生成一系列的曲線，如圖5所示。

圖3　txt中數(shù)據(jù)格式

圖4　ScanTo3D插件開啟位置

由于選取點(diǎn)的過程中，選取特征點(diǎn)數(shù)量不足會(huì)導(dǎo)致生成曲線后，曲線局部產(chǎn)生不光滑或不協(xié)調(diào)的缺陷。因此，生成曲線后應(yīng)觀察曲線有無與實(shí)體差距較大的點(diǎn)。如果有，可以通過微調(diào)其X，Y坐標(biāo)值來修正其空間位置，注意不要改變其Z坐標(biāo)值。修改完成后通過放樣曲面命令連接各截面曲線，之后通過縫合曲面等步驟即可生成葉片實(shí)體，如圖6所示就是通過對(duì)曲線直接放樣得到的葉片實(shí)體。

圖5　插入的各截面曲線

圖6　生成的葉片實(shí)體

六、結(jié)語

本文通過利用SolidWorks軟件中提供的ScanTo3D插件和木模圖數(shù)據(jù)，找到了一種新的水輪機(jī)葉片建模方法。相比以前的方法在三維軟件中生成模型的速度有了較大提高。但在實(shí)踐中，這種方法還是存在一些不足。比如讀取和修改CAD圖樣中點(diǎn)坐標(biāo)的工作依然繁瑣。但優(yōu)點(diǎn)在于其得到點(diǎn)后進(jìn)行的都是數(shù)值計(jì)算，我們可以通過改進(jìn)讀點(diǎn)程序?qū)⑦@些工作整合到一個(gè)綜合的軟件中，從而降低工作中數(shù)值計(jì)算工作的強(qiáng)度，快速得到需要的坐標(biāo)文件，進(jìn)一步加快建模速度，把寶貴的時(shí)間放在有限元分析部分，提高工作效率。