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CATIA教程

CATIA整體葉輪建模實例練習

時間:2017-06-17 15:11:46   作者:   來源:   閱讀:1056   評論:0
    本實例采用的數據來自生產實際,這里在滿足實驗要求的基礎上,對尺寸、設計參數、造型要求等進行了簡化。

    葉片截面數據點數據:1.dat,2.dat,3.dat,4.dat,5.dat。各截面數據位于與XOY平面平行的平面上,如1.dat位于Z=173.44平面上,5.dat位于Z=105.54平面上。

    輪轂為旋轉體,剖面圖關鍵尺寸如圖1所示。

    造型要求:葉片共16片均勻分布于輪轂最外面上;各葉片與輪轂表面以半徑R=0.4mm圓弧過渡;葉片凸面、凹面之間平滑過渡,其具體過渡尺寸這里不做要求。

葉輪最終造型示意圖如圖2所示。

 

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圖1:輪轂剖面圖     圖2:整體葉輪曲面模型

步驟參考:

    整體葉輪曲面造型分為以下三個部分:單個葉片造型、輪轂造型和葉輪合成。

A,單個葉片造型

A1,讀入文件

    啟動CATIA后,在菜單項中選[Start]→[Shape]→[Digitized Shape Editor],進入Digitized Shape Editor(數字曲面編輯)單元,此單元可對測量數據進行讀入和處理。

    點擊[Import]CATIA整體葉輪建模實例練習圖標或選擇菜單[Insert]→[Cloud Import…](為查找方便起見,后文中命令均只提供菜單選擇方式),選取5個葉片截面文件,并將Format選為“Ascii free”,注意請點擊選項Grouped前按鈕,使之為白色未選上狀態,如圖3所示。Grouped的“未選上”狀態,可使讀入的各個文件中的數據是獨立的;否則所有文件將合并成為一個整體,不利于后續處理。

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圖3:讀入點云

    選擇菜單[View]→[Fit All In],可將點云顯示在屏幕中間,為顯示效果更好,可點擊鼠標右鍵,選擇菜單[Properties]來修改點的Symbol(形狀)。顯示如圖4所示。

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圖4:葉片截面點云

A2,掃描線生成

    有了讀入的點云,可選擇這些點云用[3D Curve]命令來創建曲線。但此命令既支持選擇讀入的點,也支持屏幕上的任意點,因而常容易產生不需要的點。[3D Curve]命令在單元[Start]→[Shape]→[Free Style]中的菜單[Insert]→[Curve Creation]→[3D Curve]下。

    這里先將點云生成掃描線后,再進行曲面擬合。系統仍然處于Digitized Shape Editor單元狀態,選擇菜單[Insert]→[Scan Creation]→[Scan On Cloud…],選擇葉片截面數據,按照順序依次選擇所有的點,在最后一點處鼠標雙擊就可生成一條掃描線。這里將葉盆數據和葉背數據分開,所以共生成10條掃描線,如圖5所示。注意:為后續曲面造型方便,選擇每條掃描線時保持順序一致。

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圖4:掃描線

A2,BSpline截面線生成與分析

    選擇菜單[Insert]→[Curve Creation]→[Curve from Scan…],出現如圖5所示的對話框,將根據掃描線擬合生成Bezier曲線。Creation mode選擇Smoothing方式,生成的曲線光滑度會更好;如果選擇Interpolation方式,則將生成插值曲線,通過所有點,但曲線的光順性很差。Parameters中,Tolerance的含義是曲線擬合與原點云的誤差允許值,Max. Order的含義是Bezier曲線的最高階數,Max. Segments的含義是一條Bezier曲線中包含的段數的最高值,Split Angle的含義是掃描線上某點處的夾角超過該角度時,分別擬合成多條曲線。三個圖形按鈕分別控制是否顯示 “曲線的曲率圖”、“曲線與點云的最大偏差值”和“曲線的階數和段數”。

    這里各參數初始值可選為如圖5所示的結果:Smoothing方式、Tolerance為0.005mm、Max. Order為6、Max. Segments為40、Split Angle為90、顯示曲率圖。選擇一條掃描線(這里以葉背上靠葉根處的掃描線為例),點擊Apply按鈕,將顯示如圖6所示的結果,可以看到曲線在兩端曲率變化較大,圖上“Fixed”的含義是曲線的端點限定為掃描線的端點。

CATIA整體葉輪建模實例練習

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圖5:Curve from Scan對話框

圖6:曲線擬合

    點擊另兩個圖形按鈕,可以查到該曲線的所有分析結果:最大偏差為0.0035,曲線的階數為6,共有15個曲線段, 如圖7(a)所示。將Tolerance改為0.02mm、0.005mm,得到圖7(b)、(c)的結果。分析各圖可知:將允許誤差從0.005mm升高為0.01mm,曲線的曲率變化明顯平滑些,曲線的光順性有不少提高,而再升為0.02mm,曲線的光順性提高不大,但最大偏差0.018mm有點高。綜合精度和光滑性考慮,這里Tolerance取為0.01mm。

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(a)Tolerance=0.005

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(b)Tolerance=0.01

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(c)Tolerance=0.02

圖7:曲線分析

    將所有掃描線擬合成曲線,則完成截面線的擬合,有圖8所示的結果,這里將掃描點、掃描線均隱藏不顯示。

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圖8:擬合好的曲線

A3,葉背、葉盆曲面生成和分析

    選[Start]→[Shape]→[Generative Shape Design],進入Digitized Shape Design(創成式外形設計)單元,此單元提供各種曲線、曲面設計、分析功能,如曲面設計功能有:拉伸、旋轉、掃略、蒙皮等。

    選擇菜單項[Insert]→[Surfaces]→[Multi-sections Surface],出現如圖9所示的對話框,上面的文本框中將顯示所選擇的截面線,下面的文本框顯示所選擇的導引線(此例中此項為空),如果中間需插入或刪除某截面線,可用Remove、Add按鈕。

    在屏幕上按順次點擊需要擬合的截面線,注意觀察各箭頭指示的截面線方向是否一致,圖10顯示的是已經選擇后的5個截面線,可以用來生成葉背曲面,如圖11所示。

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圖9:Multi-sections Surface對話框

圖10:截面線選擇

 

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圖11:葉背曲面

    可以對生成的曲面進行分析。為能夠看到分析結果,需更改顯示方式。選擇菜單項[View]→[Render Style]→[Customize View],選擇Material選項。

    首先我們對構成的曲面進行曲率分析。選擇菜單項[Insert]→[Analysis]→[Surfacic Curvature Analysis],將彈出如圖12、13所示的對話框,在Type中我們選擇“Gaussian(高斯)”曲率類型,其它選項保持缺省值“Color Scale”、和“Positive only”不變。在圖13的色標對話框中,點擊Use Min Max按鈕,這樣曲率的最小值為紅色,最大值為紫色,其他各值為各插值顏色。可以得到曲面的Gaussian曲率圖,如圖14所示。這里高斯曲率的最小值也大于零,說明曲面在各處均為凸,符合葉背曲面形狀特點。

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圖12:Surfacic Curvature Analysis對話框

圖13:Color Scale

 

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圖14:曲面Gaussian曲率圖

    接著我們對構成的曲面進行等照度線(俗稱斑馬線)顯示分析。此分析功能在FreeStyle Shape Design(自由型外形設計)單元中。因為一般來說,在Generative Shape Design單元中設計的曲面無需進行此類分析。

    選[Start]→[Shape]→[FreeStyle Shape Design],進入FreeStyle Shape Design(自由型外形設計)單元。選擇菜單項[Insert]→[Analysis]→[Isophotes Mapping],彈出如圖15所示的對話框,這里Mapping Type選擇球形映射、,在圖形區選擇葉背曲面,調整圖15對話框中的移動條,可得到如圖16所示的結果,說明曲面光順性很好。

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圖15:Isophote Analysis對話框

圖16:等照度線曲面分析

    再次進入Digitized Shape Design(創成式外形設計)單元,用Multi-sections Surface命令創建出葉盆曲面,得到如圖17的結果,同樣可對葉盆曲面進行分析,這里省略。

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圖17:葉背、葉盆曲面

A4,構造葉背、葉盆之間的過渡曲面

    選擇菜單項[Insert]→[Surfaces]→[Blend…],出現圖18所示的對話框,按照對話框提示,分別選取葉背右邊界線為First curve、葉背面為First support、相應的葉盆邊界線為Second curve、葉盆面為Second support,各面的continuity(連續性)為Tangency(切向連續),點擊Preview按鈕可得到圖預覽圖19所示的預覽結果。再點擊OK即可生成葉背、葉盆之間的過渡曲面。

同樣,可生成另一過渡曲面。

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圖17:Blend Definition 對話框

 

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圖17:葉背、葉盆過渡曲面

A5,填充葉頂處曲面

    葉頂處曲面可用填充方法來生成。選擇菜單項[Insert]→[Surfaces]→[Fill…],出現圖18所示的對話框。依次選擇葉頂處的四條邊界,過渡面處邊界很小,不容易正確選擇,可將曲面局部放大后再選擇,如圖19所示。

    在生成葉頂曲面前可以用Preview按鈕預覽填充面的結果。

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圖18:Fill Surface對話框

圖19:曲面的局部放大

B,輪轂造型

B1,草圖設計

    在屏幕左邊的特征樹上選擇“zx plane”作為輪轂草圖的繪制平面,如圖20所示。選擇菜單項[Insert]→[Sketcher]→[Sketch],進入草圖繪制狀態。按照圖1給出的輪轂草圖尺寸繪制出如圖21所示的草圖,可以先繪制草圖的左半部分和對稱軸,然后用鏡像的方法得到全部,具體繪制方法這里省略。且在V=0的位置繪制一條水平軸線,作為將來的旋轉軸。繪制完成后,點擊“Exit Workbench”圖標退出草圖狀態。

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圖20:選擇草圖平面

圖21:輪轂草圖

B2,輪轂曲面生成

    選擇菜單項[Insert]→[Surfaces]→[Revolve…],出現如圖22所示的對話框,在Profile項中選擇剛繪制的草圖,在Revolution axis項中選擇特征樹中的HDirection(如圖23),Angle 1和Angle 2分別設為360度和0度。

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圖22:Revolution 對話框

圖23:選擇旋轉軸

    將得到如圖24所示的輪轂旋轉曲面。

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圖24:輪轂曲面

C,葉輪合成

    現在葉片和輪轂之間仍然存在一個幾毫米的間隙,我們需要將他們縫合成一個整體。根據設計要求,我們知道各葉片與輪轂表面以半徑R=0.4mm圓弧過渡,因此主要考慮“Fillet”(倒角)功能。CATIA中可用的“Fillet”功能很多,有“Shape”(兩個形體之間)、“Edge”(棱邊處)、“Variable”(變倒角半徑)、“Face-Face”(兩個面之間)、“Tritangent”(棱角處)。考慮本實驗的模型,這里采用“Shape Fillet”。

    經過上文“單個葉片造型”章節中各步生成的葉片由5個面組成,無法滿足 “Shape Fillet”中只能有兩個形體的要求,另外,由于葉根處與輪轂之間有不小的間隙且曲率變化也比較大,需對葉片部分做如下幾個準備工作:葉片曲面組合成整體、葉根處曲面邊界線提取、葉根部分的曲面延伸。

C1,葉片曲面組合

    首先需要將葉片組合成一個整體。選擇菜單項[Insert]→[Operation]→[Join…],將出現如圖25所示的對話框,選擇生成葉片的5個面(葉盆、葉背、兩個過渡面、頂面),將他們組合成一個整體。

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圖25:Join對話框

C2,初次倒角

    按常規,此時可以進行倒角命令。選擇菜單項[Insert]→[Operation]→[Shape Fillet…],將出現如圖26所示的對話框。Fillet type保持缺省值“BiTangent Fillet”, Support 1中選擇組合的葉片,Support 2中選擇輪轂面,Radius中輸入4mm。注意:選上Trim support 1,不選上Trim support 2;表示倒角過程中對葉片進行裁剪,而不裁剪輪轂面。點擊Preview按鈕進行預覽,結果出現圖27的警告對話框,屏幕上顯示的倒角結果如圖28所示。

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圖26:Fillet對話框

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圖27:Warnings對話框

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圖28:Fillet結果

警告對話框中說明少數部位“無法裁剪”,可以看出,部分部位無法倒角,Fillet結果失敗。“無法裁剪”的原因主要是兩個形體間的間隙過大,大于倒角的4mm,可以通過將其中一個形體進行延伸來減少間隙。

C3,葉根處理

    葉片延伸前,需提取葉根處的邊界線。選擇菜單項[Insert]→[Operation]→[Boundary…],將出現如圖29所示的對話框,選擇葉片,提取的邊界線為圖30中的白色線。

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圖29:Boundary對話框

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圖30:邊界提取

    現在可以進行葉片延伸。選擇菜單項[Insert]→[Operation]→[Extrapolate…],出現如圖31所示的對話框。選擇邊界線、延伸曲面,Type中保持缺省的“Length”,Length中輸入3mm。點擊Preview,將出現圖32中的結果,結果符合要求,點擊OK即可。

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圖31:Extrapolate對話框

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圖32:延伸結果

C4,倒角處理

    再次嘗試倒角命令。選擇菜單項[Insert]→[Operation]→[Shape Fillet…],各項參數的選擇同圖26,點擊Preview,結果如圖33所示。

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圖33:Fillet結果

C5,葉片陣列

    現在可將葉片陣列以生成完整的葉輪模型。選擇菜單項[Insert]→[Advanced Replication Tools]→[Circular Pattern…],在屏幕上選擇葉片,出現如圖34所示的對話框。設計要求16個葉片均勻分布于輪轂最外面上,表明各葉片間的夾角為24度。因此這里Parameters中選擇“Instance(s) & total angle”、Instance(s)中輸入15, Total angle中輸入336度,Reference element中選擇輪轂的外表面。點擊Preview,可得到圖35的結果。點擊OK,可得到圖36所示的葉輪的最終結果。

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圖34:Circular Pattern對話框

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圖34:葉片陣列Preview結果

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圖35:整體葉輪


標簽:整體葉輪建模 
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