基于Pro/E平台的诱导轮参数化造型软件开发

庄宿国，罗 鹏，侯宁涛，杨霞辉

（西安航天动力研究所，陕西 西安710100）

0 引言

诱导轮属于轴流式叶轮，用于提高离心泵的汽蚀性能，其本身也可以在一定程度的汽蚀状态下工作。国内相关研究表明：在改善泵汽蚀性能的诸多措施中，在泵的吸入口加装诱导轮效果最为显著[1－4]。

诱导轮的设计精度要求较高，且由于其包角较大及叶片型线变化规律复杂等因素，在设计时不易观察流道或叶片的空间形状，因此诱导轮三维造型有助于及时反馈设计信息，提高诱导轮水力设计的精确性，并且随着CFD技术和快速成型技术的迅速发展，诱导轮参数化三维造型软件的开发具有重要的研究价值和工程意义[5－6]。张涛、郭晓梅等对诱导轮三维造型方法进行了相关研究，但未涉及到三维造型的参数化方面[7-8]。

选用Pro/E为开发工具、Pro/TOOLKIT为二次开发平台、采用C++为编程语言[9]，开发了诱导轮的参数化三维造型软件（PIND-3D），实现诱导轮三维造型的参数化，进一步提高了诱导轮设计的效率和质量。

1 诱导轮结构分析

典型的诱导轮二维水力图如图1所示，设计时首先根据轮毂进口直径dh1、轮毂出口直径dh2、轮缘直径Dy、轮毂轴向长度hh、叶片数Z、进口修圆半径R以及包角φ等数据绘制诱导轮的轴面图和径向图，然后绘制诱导轮叶片的型线展开图，并根据经验和要求进行叶片背面加厚和相应的倒角处理。

图1 诱导轮水力图Fig.1 Hydraulic design drawings of inducer

2 建立诱导轮三维实体模版

在对诱导轮结构分析的基础上，进行诱导轮的三维造型，步骤如下：

1）根据型线展开图尺寸数据，计算诱导轮叶片型线各点的圆柱坐标（R，θ，Z），其中轮缘进口修圆部分按轴面图及径向图尺寸计算，并将各点拟合成空间曲线，如图2（a）所示。

2） 将空间曲线以边界混合命令生成曲面，并合并各曲面，如图2（b）所示，保证曲面封闭。

3）生成叶片实体，并根据叶片数进行阵列，如图 2（c）所示。

4） 根据设计尺寸，建立轮毂，如图2（d）所示。

在进行诱导轮三维造型的过程中，进行尺寸标注，实现几何图形的全约束，保证设计参数与三维模型设计变量相互对应。

图2 诱导轮三维造型步骤Fig.2 Steps of inducer three-dimensional sculpting

3 诱导轮参数化三维造型软件开发

诱导轮参数化三维造型流程如图3所示，它包括手动输入数据和读入PIND-2D（诱导轮二维水力设计软件，目前集成于PCAD软件中）[10]数据两个模块，数据满足条件后，软件会自动生成三维造型。以读入PIND-2D数据为例，首先应用PCAD的PIND-2D模块进行诱导轮的二维水力设计，然后读取二维水力设计数据并判断几何尺寸是否完全封闭，接着通过主函数对三维实体模版各尺寸参数进行更新并通过尺寸驱动重新生成需要的三维实体[11]。

图3 软件开发流程图Fig.3 Flow chart of software development

3.1 读取并检查数据

在PCAD中进行二维水力设计后得到诱导轮的二维水力模型。PCAD中诱导轮程序是通过定义一个结构体来保存三维造型所需的数据，相关函数为getdata()和savedata()。

在本程序中定义同样结构的结构体来获取水力设计产生的数据，然后把读取的结构体中的数据赋给相应的控制参数。读取轮毂进口直径dh1、轮毂出口直径dh2、轮毂轴向长度hh、沿轮毂型线展开的各点坐标及沿轮缘型线展开的各点坐标等数据。因为需要通过曲面建立诱导轮的实体特征，所以要判断是否可以形成完全封闭的曲面。

3.2 接口程序开发

在Pro/E平台上利用Pro/TOOLKIT为开发工具进行二次开发。在进行数据传输和数据交换时，需要考虑程序与Pro/E以及同用户之间的交互性问题。利用MFC强大对话框功能实现程序与用户的交互，应用同步DLL方法实现程序与Pro/E 同步[12]。

3.3 主要函数

Pro/TOOLKIT应用程序的核心是用户初始化函数user_initialize()和用户结束中断函数user_terminate()。user_initialize()函数是Pro/E和Pro/TOOLKIT的通信入口，在该函数中设置用户的交互接口，如设置菜单、调用对话框或直接调用所需函数等[13]。程序的主要部分如下：

对诱导轮三维模型中的设计参数进行赋值时,必须一一对应。更新赋值后即可进行模型再生。诱导轮参数化造型主要控制函数为inducer()，程序的主要部分如下：

3.4 加载、运行及卸载

注册Pro/TOOLKIT应用程序，就是向Pro/E系统提供该程序的相关信息。注册文件是一个文本文件，注册文件名为protk.dat，保存在＜盘符：＞程序子目录。

选择Pro/E的工具/辅助应用程序菜单项，选择“注册”按钮注册应用程序。注册成功后选择“启动”按钮运行应用程序。图4（a）为注册PIND-3D应用程序的界面。如果在注册文件中包含了多个应用程序的注册内容，则在列表框中显示相应的应用程序名[14]。

如果在注册文件中设置ALLOW_STOP为TRUE，可以手动中止应用程序的运行即卸载。选择需终止运行的应用程序，先选择“停止”按钮，再单击“删除”按钮，如图4（b）所示。

图4 运行或卸载辅助应用程序Fig.4 Auxiliary procedures of running or unload

4 诱导轮三维造型软件的设计实例

图5为使用PIND-3D软件的诱导轮实体和水体的三维造型。该诱导轮的设计参数如下：Qi=22.2 L/s，Hi=2.8 m，n=1 450 r/min。

图5 诱导轮三维造型实例Fig.5 Instance of inducer three-dimensional sculpting

由图5可知，软件生成的诱导轮的三维模型过渡光滑且Pro/E光顺性检查表明叶片表面光顺性良好，可以满足工程应用的要求。

5 结论

分析了诱导轮的结构特点，成功建立了诱导轮实体模型，开发了诱导轮三维造型的参数化软件。应用实例表明，软件运行结果可靠且具有良好的通用性；为诱导轮水力设计检查提供了保障，进一步提高了诱导轮设计的效率和质量；同时，提高了诱导轮数值计算的效率，缩短了诱导轮的研制周期。

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