UG 软件及其二次开发在叶轮机械叶片模型生产中的应用

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UG 软件及其二次开发在叶轮机械叶片模型生产中的应用
周红梅苏莫明/ 西北工业大学摘要：采用UG软件的二次开发工具UG/OPEN GRIP和UG/OPEN A PI开发了两种根据给定的叶轮机械叶片数据绘制出三维叶片模型片体的程序及实现可视化。

并在UG的建模环境中进行了三维叶片片体的缝合、修改和实体渲染以及对叶片的光滑度、曲率、强度、型面点数等的分析。

提高了叶片模型的精确程度，从而提高了实际的生产效率。

关键词：UG 软件叶轮叶片模型
中图分类号：TP311.56 文献标识码： B
文章编号：1006-8155（2007）02-0039-05
App li cation of Impeller machine UG and Its Secondary E xploitation for Production of Blade Mo del in Turbo-machine
Abstract: UG and its secondary exploitation tools UG/OPEN GRIP and UG/OPEN A PI w ere used to d evelop programs for draw ing of three-dimensional blade model s li p on the basis of impeller machine blade data and achieve visua li zation. In the mode li ng environment of UG, sew ed 、modified and e ntity romanced of 3D blade body w ere carried out. The s moothness 、the curvanture 、the strength and the number points on model face of blade w ere analyzed. The definition of blade model w as impr oved, and so the actual w orking ef ficiency w as raised.
Key w ords : UG softw are Impeller Blade model
0 引言
叶轮机械广泛地应用于各工业部门，而叶轮机械中最重要的构件就是叶片，设计出性能优良的叶片，才能保证叶轮机械高效率工作。

在叶片模型的生产中, 绘出比较精准的三维叶片图形是至关重要的。

UG[1]是一种纯粹的三维参数化造型软件，它直接采用了统一数据库﹑矢量化和关联性处理﹑三维建模与二维工程图相关联等技术，提高了工作效率。

但如果直接使用UG的绘图命令实现叶片成型，数据繁多，既容易出错，又加大了工作量，且对于每种不同的叶片，都要重复同样的工作。

因而，利用UG CA D/CA M软件的二次开发工具UG/OPEN GR IP和UG/OPEN A PI，分别用GRIP语言和Microsoft Visual C++[2，3]来编写程序，让计算机自动读入数据，绘制所需图形，只要数据文件格式相同，便可无限次重复使用程序。

叶片实体成型后，宏观上也许能令用户满意，但在某些细微的地方可能存在不易发现的瑕疵。

若直接进行加工，当成品出来后，若发现某些地方误差较大或有明显错误时就迟了。

此时就需要对生成的计算机叶片模型进行细致的分析。

分析与修改完毕就可以初步加工，由于叶片的加工比较特殊，以往需要大量的计算点来拟合出加工的刀径曲线，现在均可由计算机通过生成的模型给出，而UG和许多类型的数控机床都有接口，加工的NC程序都可以在UG下生成。

1UG/OPEN GRIP 与UG/OPEN A PI
笔者在UG/OPEN GRIP 和UG/OPEN A PI模块中各编写了一个应用程序，目的在于体验二者各自的优越性，从而明确在叶轮机械叶片模型生产中二次开发工具的选择。

1.1UG/OPEN GRIP
(1)简单：UG/OPEN GRIP[4]创建类似FORTRA N 一样的语言，与UG系统紧密集成，完成与UG的各种交互操作。

(2)易学，易用：不需要许多编程方面的知识，也无需用户掌握多种编程语言，只要有编程的初级知识就可以。

用GRIP高级开发环境GRA DE进行GRIP程序的编译和调试，不需要制作界面。

(3)应用范围：同类零件编程，特有的几何分析，绘图和数据访问等。

1.2 UG/OPEN A PI
(1)实用性强：UG/OPEN A PI[5]是UG与外部应用程序之间的接口，它是一系列函数的集合，通过其编程，用户几乎可以实现所有的UG功能。

(2)应用范围：用户化定制CA D环境、开发在Unigraphics软件平台上的用户专用软件、开发Unigr aphics 软件与其他CAD软件的接口。

(3)对用户掌握的编程语言和编程知识要求较高。

在Visual C++6.0可视化编程环境中编程控制数据流向并制作出直观、易于使用的用户界面。

2 理论依据
叶轮机械的叶片表面是光滑过渡曲面，如何使用合适的方法把给出的叶片表面坐标数据点拟合成较理想曲面是关键。

Beize 曲面是B－样条曲面的一个特殊类型[6]，B－样条曲面和Beize曲面统称为B－曲面。

B －曲面由特征多面体定义，曲面的形状逼进该多面体。

在给定以下的量后，就可以定义一张k×l阶张量积B－样条曲面：
（1）给定靠近曲面而不是在曲面上的控制顶点的阵列（极点），它们控制给定一张控制网格或控制多面体；
B-曲面的形态用U方向的阶数和V方向的阶数描述，如果阶数值较高，则曲面“刚硬”，曲面偏离控制顶点
较远，形状平坦；如果阶数的值较低，则曲面“柔软”，曲面逼进控制顶点。

在UG环境下，阶数能从1到24之间变动，推荐使用UG创建B-曲面默认的阶数为3。

本实例的数据格式：每一坐标点xyz为一行，xyz之间以空格隔开，每一型面42个数据点且在一块区域，共11组数据点即11个型面。

创建B—曲面的指令为obj=bsurf/curve,ent(1..k),endof,p(1..k)or bsurf_obj_id ——
B-曲面能很好拟合不在同一平面上的点，使生成的曲面看上去非常平滑。

如图1所示，从型面上可以看出叶片的大致扭曲规律。

3叶片成型
3.1 叶片片体成型
在UG/OPEN GRIP模块中采用曲线组的方法创建B-
曲面的指令为
obj=bsurf/curve,ent(1..k),endof,p(1..k) 即生成含有11条B-样条曲线的曲线组再通过上述命令拟合成曲面。

在UG/OPEN A PI模块中读取程序界面（图2）上的数据命令为UF_STYLER_ask_value(dialog_id, &data);
在读完数据后，即可以使用UF MODL general.h下的函数命令进行三维绘图，通过点创建B－曲面的命令为
UF_MODL_create_bsurf_thru_pts(create_mode, u_closed_status ，v_closed_status, u_degree, v_degr ee, num_row s, pts_info_per_row, &bsurf_obj_id)
u_degree 为U 方向阶数；v_degree 为V方向阶数；num_row s为型面数；pts_info_per_r ow 为每个型面点的信息；bsurf_obj_id 为创建B曲面的标识。

进入UG环境，在gatew ay 状态下从“二次开发”菜单里选择“叶片成型”，进入程序。

通过程序控制形成的B曲面即叶片片体如图3。

3.2 叶片实体成型
为能够创建一个叶片实体，叶片的两端就必须各有一个面来形成闭合的叶片。

为此需要在已有的叶片表面基础上，在叶根和叶尖两端创建两个顺滑的过渡表面。

通过创建桥接表面操作实现的步骤为（1）进入建模模块，从菜单选择Insert → Free For m Feature → Bridge…
4 叶片分析、渲染、加工
4.1 曲面分析
UG 提供的曲面分析工具功能很强大，它能评估曲面
的质量并诊断出潜在的问题。

包含了面的半径、反射、斜率
等分析类型。

（1）图5是对叶片使用V方向半径（V radius
analysis）来检查正交于截面线串的面的半径。

半径值从负值转换成正值的地方的颜色可以判
断出曲率在那里从面的一边反转到面的另一边。

(2) 图6是用云彩图片对叶片表面进行反射分
析，用来检查过渡面的光滑度。

面的反射特性可以选择以黑线、彩色线、一个模
拟地平线、一个真实地平线或一个用户自定义的图像
来反射。

反射线的光滑程度能较好的反映出叶片表面
的光滑度。

(3)截面分析可以动态显示所选一个面或一组面
的横截面，创建该截面曲线上的曲率梳，而且这项操
作是动态的，如果截平面移动或旋转，截面曲线及相
对应的曲率梳也会实时更新。

图7是采用截面类型参
数U为常数的曲线对叶片一个曲面进行分析，可以看
到对应曲线的曲率梳是如何随曲率变化的。

4.2 强度分析
叶片成型后，强度必须满足设计要求。

若知道叶片承受的各方面载荷大小，叶片的材料模量等数据后，就可知叶片能否安全可靠的工作，了解工作叶片的危险区域，做到预防或更改设计加强叶片的结构强度。

UG软件附带强度向导（Strength Wizard），可以对三维模型进行较为简单的强度分析，并能以HTML格式直观地生成计算结果。

从菜单栏Analysis→ Strength Wizard… ，即可进入强度分析向导。

叶轮机械叶片承受的载荷主要是叶片自身质量产生的离心力和气流的横向气体力。

实际气体力和叶片离心应力是沿叶高变化的，这里近似估算，认为它们是均匀分布的，都等于半径处的数值。

估算后会有选择的生成一个报告，里面包括了叶片部件的信息（如质量、质心、体积），材料属性、载荷、约束，以及结果。

结果有结构特性、刚体位移和应力分布的图片，对叶片强度有个大概了解。

如果要进行准确的强度校核，就需要专门的有限元分析软件，如Ansys 等。

图8是分析叶片刚体位移的图片，可以看到叶片是分成许多三角形网格进行分析的，不同颜色对应不同的位移值。

4.3 叶片渲染
叶片经过渲染后能建立高质量的图片，而且为图片创造
一种类似照相机的拍摄效果[7]。

图9就是经过逼真照片（P
hoto-Rea li stic）方法渲染得到的图像。

该渲染方法支持灯
光效果，包括光散射，是一种质量与时间兼顾的最佳方法，
渲染出来的图像与现实中的照片相差不大，为产品的工业展
示提供了理想的图片。

4.4 叶片加工
叶片主要是通过数控机床铣制出来，因此加工的精细
程度主要靠给出的型面点数。

因此要生成足够多的点给机床
加工，叶片也就更接近计算机上生成的模型。

在UG 系统
下可以使用P oints Of Face 命
令生成足够多的点，从菜单栏里选择Insert→Curve→Points Set…，图10是U 、V 方向各生成50个点的叶片。

如果需要输出这些点的坐标信息，可以从二次开发菜单选择“输出点坐标信息（以类选择点）”命令，生成的坐标信息可以以文本文件类型保存。

5 结论
（1）利用UG的二次开发动态的生成三维叶片图形，
图形效果逼真，绘图结果可用性好，其混合建模的优势是传
统的二维制图软件难以达到的。

（2）对实体叶片图形的曲面、强度、相关的流场等分
析及模型的渲染最大程度的满足工业化设计的要求，接近设
计者的理念。

（3）UG与多种类型的数控机床有接口，可大大提高叶轮机械叶片模型的生产效率和产品质量，体现了现代加工的特点——精确度高、速度快、质量高。

参考文献
[1]孙江宏,黄小龙,吴平良.Unigr aphics V18.0 入门与实例应用[M].中国铁道出版社,2003.5.
[2]谭浩强.C程序设计[M].2 版.清华大学出版社,1999.12.
[3]刘路放.Visual C++ 与面向对象程序与设计教程[M].高等教育出版社,2000.11.
[4]王庆林,洪如瑾,校.UG/Open Gr ip实用编程基础[M].中国铁道出版社，2002 .1.
[5]李建平.计算机图形学原理教程[M].电子科技大学出版社,1998.5.
[6]董正卫,田中立,付宜利.UG/OPEN A PI编程基础[M].清华大学出版社, 2002 .8
[7][美]Unigraphics Solutions Inc.李开林,何方,译.UG工业设计培训教程[M],清华大学出版社，2002.10.。