基于CAXA的叶片三维建模技术的研究

徐新健，钮平章

（山东凯文科技职业学院 机械学院，济南 250200）

0 引言

叶片是风力机、水轮机、推进器等装置的关键部件，构型复杂，加工难度大，传统方法不可能完成零件的设计制造。随着CAD/CAM技术的发展，精确设计制造叶片等曲面零件成为现实。

1 风力机叶片参数选择与计算

如表1所示。

表1 风力机叶片参数选择

Profi li翼型设计软件是专业翼型设计分析软件，有丰富的翼型数据库，windows界面易学易用。本文以该软件为基础进行翼型的选择和NACA4412翼型DAT文件数据的输出。NACA4412翼型最大厚度为12.02%，位置在30.0%的翼弦；最大曲面4.00%，在40.0%的翼弦。

表2 叶片设计参数

2 设计思路

叶片设计主要集中在0.2R-R部分，小于0.2R部分主要考虑轮毂配合及强度需要。现计算各叶素的弦长和安装角。

从半径0.2R（0.24m）到R（1.2m）处分成8段，每段0.12m。

叶片设计参数如表2所示。

3 叶片各个截面空间坐标的变换原理

1）建立翼型的原始二维图像，原始二维图像的坐标以前缘为原点、弦线方向为X轴，然后把这些翼型数据进行平移变换，保持弦线方向为X轴，原点移到气动中心。

变换公式：(X1,Y1)=(X0,Y0)-(Xq,Yq)

式中：(Xq,Yq)为气动中心坐标。

2）原始数据平移变换后，由于点的坐标是以弦长为单位值时的坐标，所以还需要乘以弦长，把(X1,Y1)转换为相应弦长处各离散点坐标(X2,Y2)，设C为弦长。

变换公式：(X2,Y2)=C×(X1,Y1)

3）点(X2,Y2)经过旋转变换得到叶片空间实际坐标(X,Y,Z)下的一系列离散点。变换公式：X=X1×COSθ-Y1×SINθ

Y=X1×SINθ+Y1×COSθ

4 利用EXCEL计算叶片翼型空间坐标

1）输入X0、Y0坐标

打开NACA4412.dat文件，然后输入EXCEL中的E列、F列。如图1所示。

2）输入弦长、安装角、气动中心点坐标

弦长、安装角要分别输入A列B列，首先计算弦长为0.189m、安装角为0.326时第一个截面的各点坐标。第二次输入弦长为0.154m、安装角为0.229时第二个截面的各点坐标，最后一次输入弦长为0.056m、安装角为0.005时第8个截面的各点坐标。气动中心X点坐标输入C列、Y坐标输入D列。 编辑公式C1=0.3×A1，D=0输入。

图1 NACA4412文件数据输入EXCEL

在G列中编辑公式G1=E1-C1代表X1；

在H列中编辑公式H1=F1-D1代表Y1；

在J列中编辑公式

J1=G1×COS(B1)-H1×SIN(B1)代表 X；

在K列中编辑公式

K1=G1×SIN(B1) +H1×COS(B1) 代表 Y。

利用EXCEL的智能拖动功能计算第一个截面的其他点的坐标。

由于所求的X、Y数据单位是米，需要乘以1000转换成mm。计算过程如图2所示。

将里面的数据保存成TXT文件，文件名命名为1.txt。同样的道理，输出其余截面的数据，建立起 2.txt，3.txt，…，8.txt。

图2 第一个截面的（X Y Z）坐标计算过程

5 CAXA实体设计建模

打开CAXA实体设计2011，点击“生成”菜单＞“曲线”＞“三维曲线”,单击“三维曲线”＞“输入样条曲线”，弹出输入3D样条曲线对话框。点击“浏览”，输入1.txt，然后将3D曲线转换成草图曲线，同理输入其他8个文件，分别进行转换。

选中所有曲线进行“放样”，弹出“从一个二维轮廓创建放样特征创建放样”对话框，生成类型选择“曲面”，选择确定。叶片曲面生成。如图3所示。

图3 生成的叶片三维模型

6 CAXA实体设计数据输出

由于要进一步研究叶片等曲面类零件的加工，需要将CAXA实体设计的数据输出到CAXA制造工程师中。下面介绍一下步骤：

1）点击“工具”＞“加载应用程序”，系统弹出加载应用程序对话框。选中“ExportSldToME”应用程序，点击确定。如图4所示。

2）点击“工具”＞“自定义”，系统弹出自定义对话框。点击工具栏，在里面选中“ExportSldToME TB 1”，点击关闭。此时出现加载应用程序工具栏。点击即可。如图5所示。

3）在CAXA制造工程师中，选中“文件”＞“CAXA实体设计数据”，此时实体设计刚刚输出的数据就读到CAXA制造工程师里面了。

图4 加载应用程序设置

图5 自定义对话框设置

[1] 徐浩, 朱益红, 韩建景. 一种新型小型风力发电机叶片建模方法研究[J]. 电气制造. 2011, 05.

[2] 卢继平, 唐水源, 左建华. 基于UGⅡ的叶片建模与加工[J].北京理工大学学报. 2004, 04.

[3] 杨涛, 李伟, 张丹丹. 风力机叶片气动外形设计和三维实体建模研究[J]. 机械设计与制造. 2010, 7.

[4] 吴涛. 复合材料的汽轮机叶片三维建模及有限元分析[J].科技传播. 2011, 12.