基于AutoCAD和SolidWorks的汽轮机本体结构三维建模与动画制作

摘 要：以国产超超临界660MW汽轮机的三维模型与结构演示动画的制作过程为例，介绍了一种基于实际设备的CAD二维平面图纸，利用AutoCad和SolidWorks软件将二维图形快速转换为三维模型的方法。该方法可以显著缩短三维教学动画的制作时间，对于专业课教师跟踪课程所在领域的实用新成果，将最新的设备结构转换为基本准确的三维立体模型，在教学活动中开阔学生的眼界，培养学生的创新思想和创新意识，具有实际意义。

关键词：AutoCAD;SolidWorks;汽轮机;三维建模;动画制作

Abstract：Taking the production process of 3D model and structure demonstration animation of domestic ultra supercritical 660MW steam turbine as an example，a method of CAD 2D plane drawing based on actual equipment and quickly converting 2D graphics into 3D model by using AutoCAD and SolidWorks software is introduced.This method can significantly shorten the production time of three-dimensional teaching animation.It is of practical significance for professional teachers to track the practical new achievements in the field of the course，convert the latest equipment structure into a basically accurate three-dimensional model，broaden students' horizons and cultivate students' innovative ideas and innovative consciousness in teaching activities.

Keywords：AutoCAD;SolidWorks;Steam turbine;3D modeling;Animation production

三維动画因为能够形象生动地向学生展示汽轮机的内外部结构及各组成零部件，帮助学生快速对汽轮机建立直观印象，克服后续理论学习过程中的脱节感，因此在汽轮机相关课程教学中被广泛应用。但是随着电网电源结构的重大变化，为了适应深度调峰任务，最新设计的国产汽轮机的某些结构特点相比传统机型发生了很大变化，这就要求我们专业教师能够及时更新相关动画资源，丰富教学手段，充分激发学生的学习兴趣，满足“新工科”教育理念对多元化、创新型人才培养的要求。

本文以某国产超超临界660MW汽轮机为例，介绍了一种基于CAD二维平面图纸，利用AutoCAD和SolidWorks快速将汽轮机本体结构零件的二维图形转换为三维立体模型的方法。模型与实际设备基本一致，应用于汽轮机相关课程的教学中，能够生动形象地向学生展示实际汽轮机主要零部件的结构及各零部件之间的相对位置关系，帮助学生加深对理论知识的理解。

1 AutoCAD在汽轮机三维动画制作中的作用

AutoCAD在平面绘图领域表现优异，还可以快速高效的建立简单的三维模型。但是AutoCAD的曲面建模功能不完善，需要使用布尔运算来计算交集、并集和差集，复杂的三维模型建立比较困难。

本文仅使用AutoCAD将以PDF文件保存的国产超超临界660MW汽轮机各零件二维图纸转换为DWG文件，并对其进行简单的预处理，为SolidWorks软件提供汽轮机各零件的二维草图。

AutoCAD将PDF图片转化为二维草图时，无法自动识别曲线、文字、点划线，会将图中所有的曲线和文字都转化为“多段线”，原图中的粗线条会转化成多条重合的0磅线段，某些地方会出现线条的重合、交叉、未闭合的情况，作为构造线的点划线会转化为一段一段的短线段。上述情况都会导致二维草图无法旋转或拉伸生成三维模型，所以必须修改后再导入SolidWorks作为建模用的草图。以高压内缸前视剖面图（图1）为例，处理方法如下：

（1）选择高压内缸的正视图部分并删除上半部分和所有组成文字的多段线、注释用直线、所有孔槽以及拉伸凸起细节的轮廓线和相关点划线、相邻零部件的轮廓线，然后选中全部，使用“EXPLODE”命令（快捷键“X”），将所有多段线分解成单一直线，再将所有圆角的轮廓线生成的多段线用“起点、端点、方向”命令作圆弧，使其与原多段线大致重合，然后删除原多段线;

（2）测量原图纸上标注距离的两点（此处选取进汽中心线和抽汽中心线）的长度，与原图纸的数据相比较，选中全部使用“缩放”命令，选中任一基点以合适倍数放大，将整个图形放大到与实际尺寸相当;

（3）使用“合并”法检验轮廓的线条是否闭合。选取某直线，再选中与其一端端点连接的直线，使用“合并”命令（快捷键“J”）。若合并成功，则说明两直线刚好相交，合并失败，则说明两直线可能部分重合、相交多出一段线或不相交，此时则需要在失败处局部放大检查，进行修正后重新合并，直到缸体内外轮廓线合并为一条闭合的多段线。

其余零件草图处理过程均与此例相似，不再赘述。

2 SolidWorks在汽轮机三维动画制作中的作用

2.1 三维建模

以高压内缸为例简要说明三维建模过程：

（1）打开Solidworks，点击“打开”选择用AutoCAD处理后的高压内缸二维图，选择“输入新零件为”项的“2D草图”项，得到如图2所示的高压内缸下半部分二维草图。

（2）选择中轴线（图2中点划线）为旋转轴，选择面积最大的封闭图形为旋转轮廓，利用特征菜单中的“旋转凸台/基体”功能将2D草图旋转180°[1]，如图3所示，完成高压内缸下半主体的三维模型的建模效果。

如果AutoCAD草图处理步骤面已经闭合，却依然不能旋转，则如下处理，首先在原草图的前视基准面上新建一个与其重合的基准面，然后在草图绘制下使用“直线”工具，沿原草图的轮廓描一遍得到新草图，然后用新的草图开始建模。此方法唯一的缺点是“直线”工具每生成一条线段都需要2到3秒的时间，对于一个有几千条线段的草图来说需要数个小时才能描完。

（3）制作内缸上的突出部件和孔洞。以进汽部分凸台的制作为例，如图4所示在适当的位置建立若干基准面，在基准面上绘制草图，依次使用“放样凸台/基体”指令，“拉伸凸台/基体”指令中的“向外拔模”命令，成形到高压内缸下半部分实体，使用“拉伸切除”指令，开出进汽通道，最后建立矩形草图，设置合适角度，使用“旋转切除”指令将进汽部分外形修型为圆柱面，完成效果见图5。

其他轴向定位键、内缸横向支撑凸台等突出体结构和补汽口、回热抽汽口和支撑垫片螺栓孔等需要开洞的位置，制作方法类似。

图6为完成后的高压内缸下半缸三维模型，采用类似的方法依次制作汽轮机的其他主要零部件。

2.2 各零部件三维模型组建装配体

使用新建“装配体功能”[2]，点击“插入零部件”，将所有建立好的某汽缸零部件三维模型按照一定的顺序全部依次导入，注意最先插入的零件为固定的零件，不可移动，通过平移、旋转等操作大致拼出该汽缸的结构，然后使用“配合”指令将相关联的零部件按照实际安装情况组合在一起，例如，设定转子和内缸的关系为“同轴心”，所有的零部件之间的配合关系设定好后就得到了一个装配体，如图7为低壓缸装配体。

接着开始动画制作，首先打开“爆炸视图”，以组装配合的相反过程，依次移动各零部件到合适位置。然后点击“添加阶梯”，逐个添加直到所有部件都被制作为爆炸步骤。最后点击确定完成爆炸视图，见图8。

2.3 三维动画制作

新建“运动算例”，点击动画向导，选择“爆炸”，设定动画时间长度和开始时间，自动完成爆炸动画;在时间轴上增加新的键码，还可以利用动画向导增加“解除爆炸”动画;在合适的时间段编辑新的键码点击动画向导选择“旋转模型”，可以增加零件展示和视角转换动画;在所有时间位置设定完成后选择保存动画为avi格式，设定动画相关参数后，再进行运动算例重新计算后获得动画avi文件，至此汽轮机三维动画制作完成。

结语

利用CAD图纸可以快速获得二维零件的主要轮廓，相比完全从零开始利用3D动画制作软件建立三维模型，大大减少了制作人员的工作量。

通过三维模型爆炸动画，客观地反映了汽轮机的安装和拆卸过程，可以更加直观地显示各个零部件的相对位置，从而加深对这些零件作用的理解。

通过旋转动画，可以从任意角度、任意方位来观察汽轮机零部件，客观地描绘出汽轮机每个部件的结构特点，使学生增强对汽轮机结构的感性认识。

参考文献：

[1]赵丹.基于Solidworks复杂回转体零件的建模方法[J].机械研究与应用，2020，33（02）：158-159，171.

[2]褚连娣，娄勇坚.Solidworks装配体建模技术在产品设计中的应用研究[J].机械管理开发，2020，35（11）：1-3，6.

基金项目：河北省高等教育教学改革研究项目《打造<汽轮机原理>混合式“金课”的课程教学改革与实践》;项目编号：2019GJJG407

作者简介：刘树华（1976— ），男，汉族，河北武强人，硕士，讲师，单位：华北电力大学（保定）动力工程系，研究方向：信息化技术在《汽轮机原理》教学中的应用。