基于UG的汽轮机叶片CAD系统二次开发

任国栋，郑 峰，葛春荣，周德钊，欧阳翔，王 霄

（1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.金坛市飞承候机械有限公司，江苏 常州213200）

基于UG的汽轮机叶片CAD系统二次开发

任国栋1，郑 峰1，葛春荣2，周德钊2，欧阳翔2，王 霄1

（1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.金坛市飞承候机械有限公司，江苏 常州213200）

文章以汽轮机叶片为研究对象，以某企业实际生产需求为导向，基于UG软件和Visual Studio 2010软件平台，采用了C语言和UG/open API函数联合编程的二次开发方法，开发了一套汽轮机叶片参数化模型快速造型系统，提高了设计人员的工作效率，缩短了企业产品开发周期，加强了企业的竞争力。

汽轮机叶片；UG；二次开发；快速造型系统

0 引言

叶片是汽轮机的核心部件，其型面复杂，截面宽厚比大等特点使其难于成形［1］。随着计算机技术的发展，类似叶片这样的难成形零件开始采用三维软件进行辅助设计。UG作为当今世界上最先进的CAD/ CAM/CAE高端软件平台之一，不仅拥有强大的曲面造型功能，还提供了功能强大的二次开发工具UG/ OPEN供用户自己扩展所需功能，使设计工作得到简化。在UG软件中，叶片的设计一般可分为由叶顶、叶身和叶根三部分。叶身部分型面相对较复杂，设计时需将型值点数据去噪优化后生成若干条样条曲线，再由这些样条曲线拟合成曲面［2］。然而，型值点数据处理这种机械性重复劳动确实耗时耗力，且容易出错，企业设计人员对此也经常抱怨，查错纠错等工作也会降低企业的工作效率。根据某叶片厂家压缩产品设计周期，提高前期设计效率的实际需要，在UG软件中编写一套高效的汽轮机叶片CAD系统便有了一定的意义。

汽轮机叶片是一种小批量、多品种的产品［3］，其叶身按截面形状可分为直叶片和扭叶片，叶根按外形分可分为T型叶根、叉形叶根、纵树型叶根等，每一种叶根也可分出不同的小类，有时还会根据特殊需要设计特别的叶片，因此系统很难囊括所有的叶片种类。本文经过对该企业以往大量产品的总结，将汽轮机叶片CAD系统设计成如图1所示的结构。

图1 汽轮机叶片CAD系统结构图

1 UG二次开发工具

UG二次开发工具的总称叫做UG/OPEN，它主要包含UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler、UG/ Open API和UG/Open Grip等［4］。结合这些工具，用户可以根据企业或用户的实际需要来开发面向企业或用户的专用软件模块，从而提高设计人员的工作效率。

UG/Open MenuScript是UG提供定制菜单的专用模块，可以根据需要生成自己的菜单，替换原有菜单，也可以编辑UG某个菜单从而生成自己的菜单。

UG/Open UIStyler是开发UG交互式对话框的可视化设计工具，相比于MFC生成对话框的方式有个很大的优点是可以避免复杂的图形用户接口的编程，可以利用软件提供基本控件组合生成不同的对话框，生成的对话框美观，缺点就是控件数量较少，功能有限。

UG/Open API是UG软件提供的与外部应用程序之间的接口，是一系列过程和程序的集合。通过UG/ Open API编程，用户可以通过C语言来调用这些函数实现几乎所有交互式环境下的操作，达到实现用户化的需求。

UG/Open Grip语言是一种解释性的语言，与UG集成，具有通俗易懂的特点。利用Grip语言也可以实现与UG的各种交互式操作。例如调用一些曲线、曲面生成实体等，也可以控制UG系统参数，实现文件管理功能，还可以编辑修改已经存在的几何体的几何参数等。但其不能支持后续开发，不能与UIStyler联合使用，可视性、交互性较差。

本文将应用UG/OPEN API和C语言在Microsoft Visual Studio 2010软件平台上进行汽轮机叶片CAD系统的二次开发。分析汽轮机叶片的结构特点，分别编写叶顶、叶身和叶根三部分的程序以生成外部dll文件，利用UG/OPEN UIStyler生成美观的对话框和UG/ OPEN MenuScript生成系统所需的菜单文件，通过编写的系统实现汽轮机叶片的快速造型，缩短叶片开发周期，提高叶片生产效率。

2 系统实现的关键技术

2.1 开发环境设置

在Microsoft Visual Studio 2010平台中原本是没有UG二次开发模块的，需要复制UGSNX 7.5UGOPEN vs_files下所有文件夹（VB、VC、VC#）到VS的安装目录下，合并覆盖原有的vs_files文件夹，记事本打开Microsoft Visual Studio 10.0VCVCProjects下的NX_ VC.vsz，修改行Wizard=VsWizard.VsWizardEngine. 9.0为Wizard=VsWizard.VsWizardEngine.10.0，至此，32位的系统就可以创建NX的项目了。如果是64位的系统，就必须在VCVCWizardsNX7_Open scripts1033目录下编辑default.js文件，搜索CLTool. Detect64BitPortabilityProblems=true，将这一行注释掉。原因是这句的作用是设置一个编译器开关，指定编译器在编译过程中检查程序的64位可移植性，但这种设置方式已经不适用于VS2010。

新建一个名称为“UGII_VENDOR_DIR”的系统环境变量，变量值为将要放置dll文件的文件夹。在这个文件夹下新建application文件夹以放置dll文件和对话框dlg文件，新建startup文件夹放置菜单的men文件，这样设置后就可以在UG软件中看到用户定制的功能模块。

2.2 叶身自动造型模块

随着市场竞争压力的加大，企业不愿意再将大量的人力放在机械的重复性劳动上。因此，叶身截面型值点数据文件的处理成了企业急需解决的首要问题。叶身设计模块需要实现数据文件处理和通过叶身截面型线生成叶身实体两部分功能。由于不同的客户对叶身截面的描述方式有所不同，通过对企业以往接触的案例进行分析，总结出对叶身截面的描述方式大致有通过离散的型值点、通过型值点和内背弧曲线和通过圆弧段三种。

图2 型值点处理对话框

通常的叶身造型思路是将型值点数据处理成四个单独的数据文件，对型值点采用3次B样条进行拟合，再通过桥接或者草图编辑以切线连续的方式连接这四条已生成的曲线使其成为闭合样条，由已经构造出的曲线直接生成自由曲面。叶片型面的造型需至少几十条型线，每条型线的型值点都需要用四个dat文件来处理，构建每条线时都需要重复桥接曲线的工作，如此操作确实繁琐［5］。型值点处理是叶身造型模块的关键，借助它可以使得过去一个设计人员一天甚至两天的工作量在分秒间完成。通过使用C语言实现对数据初始文件打开、删减、合并等操作，结合UIstyler设计出如图2所示的对话框，点击打开源文件的位置，软件会根据源文件的信息自动更新型线条数和型线出汽边圆弧的点数数值，设置好目标文件存储路径后，软件会自动添加与此源文件名称相同的文件夹，方便与其他文件夹区分，点击确定将每条型线的离散型指点坐标数据以单独的dat文件的形式存放在上面新建的文件夹中。通过型值点功能则是利用UG/open API提供的接口函数读取生成的离散数据点文件生成一条条封闭的3次B样条曲线，对生成的样条曲线进行光顺操作，然后用通过曲线组相对应的函数实现叶身型面的快速造型。通过型值点和圆弧以及通过圆弧段尽管在API函数的使用上与通过型值点略有不同，但功能实现的原理和方法相类似，就不再赘述了［6-9］。

2.3 叶顶和叶根参数化造型模块

叶顶部分与叶根部分的建模思路比较相似，都是通过UG/open API提供的接口函数进行编程直接实现参数化造型，在C语言程序中设置多个参数来和UI-styler生成的对话框中的驱动参数链接，通过修改对话框内参数的数值来修改模型的形状［10］。如图3所示的对话框就是叶根设计模块的叉形叶根设计对话框，在对话框中最上方配了一张图来说明各参数所表示的意义，下方的叉数、台阶数以及一系列驱动参数窗口中的数值可以根据设计人员的需要自行修改，界面设计比较友好美观。

图3 叉形叶根设计对话框

在上述的例子中，主要运用了如下的API接口函数：

（1）UF_CURVE_create_line（），此函数用以创建直线来生成叶根截面草图。

（2）UF_MODL_create_revolved（），旋转功能函数。

（3）UF_MODL_create_extruded（），拉伸功能函数。

（4）UF_MODL_intersect_bodies（），用此功能来求旋转体和拉伸实体的相交部分。

（5）UF_MODL_create_mirror_body（），镜像体功能。

（6）在叉形叶根设计功能中除了上述所用于创建参数化模型的API函数外，当然还有一系列起辅助功能的函数，如设置视图的函数UF_VIEW_fit_view（），UF_VIEW_set_visualization（），设置图层的函数UF_ LAYER_set_status（），UF_LAYER_set_all_but_work（）等，利用C语言编程来调用这些API接口函数，可以轻易实现叶顶和叶根参数化造型模块其他类似功能［11］。

3 应用实例

系统设计好后，通过正确配置环境变量可以在UG软件的菜单栏中看到如图4所示的汽轮机叶片CAD设计模块。以某叶片公司提供的Q156型汽轮机动叶片图纸为例，使用本系统实现Q156二级动叶片模型的快速建模。

图4 UG软件菜单栏中的叶片CAD系统

首先修改叶顶设计模块叶片总长、围带轴向宽度等驱动参数，生成叶顶参数化模型。然后用型值点处理功能处理企业提供的型值点数据文件，生成等同于型线截面条数的dat数据文件，利用通过型值点功能生成Q156的叶身。最后通过叶根设计模块的双T型叶根设计功能实现叶根部分模型的模型创建，完成三个部分的自动倒圆角，生成如图5所示的Q156动叶片的参数化模型。

图5 Q156型动叶片的三维模型

企业以往对一个类似动叶片的三维模型的建立，就叶身曲面型值点的处理工作就要耗费一个设计工作人员两个工作日的时间，再加上叶顶和叶根部分的建模，完成一个叶片的三维模型大概需耗时3～4天。然而，借助于上述完成的汽轮机叶片CAD快速设计系统，设计人员可以通过输入关键尺寸在两个小时内完成三维模型的创建工作，极大提高了设计人员的工作效率。

4 结论

本文主要利用C语言和UG/open API接口函数对汽轮机叶片计算机辅助设计模块进行了二次开发，编写了一套高效的汽轮机叶片CAD快速造型系统。通过此设计系统可快速处理厂家提供的叶身截面型值点初始数据，避免了机械枯燥的重复劳动，由于叶片叶根品种繁杂，此系统没有囊括所有的类型，只是根据企业的实际要求，开发了T型、叉形和纵树型叶根的三维模型快速设计功能。缩短了创建叶片三维模型所需的时间，极大地提高了设计人员的工作效率。

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（编辑 李秀敏）

CAD System of Blade of the Steam Turbine Based on UG/OPEN

REN Guo-dong1，ZHENG Feng1，GE Chun-rong2，ZHOU De-zhao2，OUYANG Xiang2，WANG Xiao1
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2.Jintan Fei Chenghou Machinery Company Limited，Changzhou Jiangsu 213200，China）

This paper regards blade of the steam turbine as the research object，the producing need of some enterprise as the direction，have developed the parameter fast model system of blade with C language and UG/open API function，based on UG software and Visual Studio 2010 software.Working with this system can raise the designer′s working efficiency and shorten the product development cycle of a enterprise，which have strengthened the competitiveness of enterprises.

blade of the steam turbine，UG，UG/OPEN，CAD system

TH164；TG506

A

1001-2265（2015）01-0046-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.013

2014-03-18；

2014-06-13

任国栋（1977—），男，江苏昆山人，江苏大学讲师，硕士，主要从事数字化设计与制造技术研究，（E-mail）guodongren@ujs.edu.cn。