SolidWorks建立离心泵叶轮叶片模型操作步骤

一、叶片水力图基本知识

  1.读图

  叶轮叶片型线信息一般用二维的叶轮水力图表示，工程中也常称为木模图。以下图为例，水力图中包含三部分，左侧子图1称为子午面图或轴面图，右侧子图2称为叶片平面投影图。左右两图分别是两个视角，和一般工程制图的三视图相似。下方还有一部分文字与厚度表格信息3，文字中表明了叶片数和旋向，表格则标明了叶片厚度的变化。

  2.弯扭叶片

  通常的离心泵叶片为了提高对流体的控制作用、提升效率，叶片为空间弯扭叶片，也就是不仅弯曲（2平面投影图可看出明显的绕轴弯曲趋势），而且在沿轴线方向存在扭曲，导致在2平面投影图中的叶片轮廓，与轴接触的部分看起来厚度大，而向叶轮外径过渡时厚度变小，这是叶片扭曲后存在遮挡关系的结果。

  3.弯扭叶片流线

     弯扭叶片的整个叶片形状，需要用流线描绘。1子午面图上可以看到一根根近乎平行的截线，从前盖板连接至后盖板，为子午面流线，见下图。需要注意的是，子午面图也是一个投影图，所以这些流线实际上在空间中存在的位置，与它们在子午面上的投影之间存在夹角。因此，将这些子午面流线以轴线旋转，在穿透纸面的方向上按照轴面夹角偏转出去，就可以得到这部分流线在空间中的实际位置，也就获得了大体上的叶片形态趋势。具体的偏转角度，在右侧的投影图上有所标注，每一根流线对应一个轴面展开角。叶片进口边，也就是最靠近轴的第一条流线不偏转，从第二条开始，分别为3度、6.5度…、90.5度、92度。

     4.工作面与背面

     叶片是有一定厚度的，厚度两侧作用不同。向外凸的一侧直接对液体施加离心力，将液体甩出，通常称为工作面（或压力面），另一侧不做功称为背面（或吸力面），见下图。本文所采用的水力图中，子午面上仅有用实线画出的子午面流线，这部分全部为叶片的工作面流线。3表格中有标示厚度信息，如前文所述，每一条流线都对应一个轴面角度，厚度按照轴面角度给出。在子午面图中将流线向下方偏移对应的厚度，即可得到相应的背面流线，背面流线的展开夹角与工作面流线相同，如法炮制偏转出去即可得到背面流线的实际空间位置。      

     为什么向下偏移？在左侧图可以看出来，沿叶轮旋转方向（逆时针，这样外凸的工作面才能对流体施压），工作面流线有先达到叶轮外径即出口位置的趋势，对应到子午面图，工作面流线在上，背面流线在下。也有一些水力图会在子午面上同时绘制出工作面和背面流线，此时工作面流线为实线，背面流线为虚线。

二、SolidWorks三维建模

  1.导入

     将工作面和背面的子午面流线分别单独复制出来，保存为dxf或dwg格式的两个二维图纸文件（推荐2007dxf格式）。在SolidWorks中新建零件，选择一个基准面（如前视基准面）后，点击最上方“插入-DXF/DWG”，弹出的窗口选择之前单独保存的工作面子午流线图，点击打开。

     在打开的窗口中，可以选择默认的如下形式，也可以切换为“3D曲线或模型形式”，两种方式都可以进一步操作，我们先按照默认二维模式演示。是否勾选“导入为参考”不影响后续操作，而且导入后对导进来的草绘右键，仍可在“制作编辑草图”和“制作参考草图”之间自由切换。之后点击下一页，在输入和文档设定中，需要注意单位，并保留中心线层，后续流线旋转偏移时需以轴线为旋转中心。之后点击“完成”。

     2.导入二维草绘的子午面流线偏移

     如下图所示，左侧模型树中的“草图1”为导入后的子午面流线，并已显示在主界面，包含流线、型线、轴线。之后单机左上角“草图绘制”下面的黑色三角，并点击“3D草绘”，新建一个3D草绘图。

     在新建的3D草绘中，先在左侧模型树内点选“草图1”，然后点击上方草图命令中的“转换实体引用”，之后可见到主界面蓝色线条全部转为黑色，代表已将导入进来的草图1内线条转化为可进一步操作的实体引用，并以此成功创建了3D草绘。

     偏转流线通常从进口开始，需再次注意，第一条不偏转，因此以第二条为例。点击第二条流线，选中后变为蓝色，点击上方命令中 “移动实体”旁边小黑三角，下拉点击“旋转实体”。

     在下方更新后的窗口中，左侧可以看到，“要旋转的实体”已经填入了我们选择的流线，接下来点击“旋转”旁边的蓝色框，之后点击主界面下方的轴线，以确定旋转中心。之后在旋转下方的角度中填入要旋转的角度（查看水力图中的2平面投影图标注），本次为“-3°”，正负和旋向有关，旋向在水力图的文字说明中有明确提及，即从进口看是逆时针旋转。旋向需要非常注意。输入偏转角之后回车确认，最后点击上方的红色“对钩”符号，以完成本次旋转操作。

   之后继续点选下一条流线，如上所述再次旋转实体。重复操作直至完成全部流线偏转。下图为第二条流线的操作界面和全部旋转之后界面。稍微拉动视角，即可发现流线已经围绕轴线旋转，而且已经旋转过的流线，在原来的子午面中会变为浅灰色，有助于清楚判断接下来该旋转哪一流线，以及旋转角度。

     3.混合流线创建叶片曲面

     新装软件中默认不显示“曲面”选项卡，对命令图标右键，在选项卡中点击“曲面”，将这一模块显示在界面内。之后如下右图所示，曲面模块各种命令得以完全展示。

     在曲面工具中点击“边界曲面”，下面点击“方向1”的蓝色框，然后单机第一条流线（没有偏转的那一条），在小命令框中点击“开环”图标，之后点击“对钩”图标确认。之后点击第二条流线，再点击“对钩”以添加第二条流线，重复直至添加所有流线。

     注意：若出现扭曲情况，如下图右图所示，在蓝色框内，对准扭曲的这条流线（示例为开环8）右键，下拉菜单中点击“反转接头”即可修正。

     全部添加完成后，点击左上角的红色“对钩”，完成压力面曲面的混合创建步骤。

     之后可先将目前的草绘和建立的曲面隐藏，在模型树中对其右键，然后点击“眼睛图标”，关闭显示。之后，点选“前基准面”后，再次点击“插入-DXF/DWG”命令，插入背面（吸力面）的子午面流线，重复前文流线旋转与混合操作，完成叶片背面的创建。

     4. 叶片实体化

     完成背面曲面后，可将新导入的草绘隐藏，将之前创建的工作面取消隐藏。

     接来来需要进行比较重要的一个细节操作。通常二维图纸前盖板和后盖板，与叶片之间是没有缝隙的，但是由于建模过程中使用了CAD “偏移”指令，以及软件之间的容差等误差，可能使叶轮前后盖板与叶片之间存在微小缝隙。对加工制造而言有时这一问题可忽略，但对于CFD计算域离散（网格划分）而言，存在微小缝隙将导致流体域不封闭，画网格进行出现错误。为了避免这一问题，采取将叶片延伸后再进行切除的操作方法。具体如下。

     首先进行叶片曲面的延伸，除轮毂（轴）侧的边不延伸，其余边界均需延伸2-3mm左右。点选一条要延伸的边，如下图所示，然后在“曲面”命令集中，找到“延伸曲面”并单击，左侧终止条件选择“距离”，下方输入2mm，最后点击左上角的红色“对号”，完成一条边界的延伸。重复操作，完成工作面和背面所有需要延伸的边界（一个面3条，共6条）。

     之后合并曲线。由于SolidWorks的建模思路是，延伸后的边界线不与原有的合为一体，需要手动连接。如下图，延伸后的边界线分为两条（打了蓝色叉号）。按住Ctrl键，分别单机选择这两条，在上方的“曲线”命令集中下拉，点击“组合曲线”，在新弹出的左侧窗口中点击红色“对号”（类似的确认操作已重复多次，不再截图），完成曲线边界的混合。重复操作，组合其余分段的边界。

     封闭曲面。再次找到“曲面”中的“边界曲面”并单击，按住Ctrl键，点选要混合的、对应于工作面和背面的两条曲线，点击左侧红色对号确认混合。重复完成四周面的封闭。

     缝合曲面与实体化。在“曲面”中找到“缝合曲面”并单击，在选择框中点击后选择所有6个面，勾选下方的“创建实体”和“合并实体”，打钩确认。

     圆角处理。对靠近轴的叶片进口边倒圆角，找到“曲面”工具集中的“圆角”命令并单机，如下图，在左侧的命令中，“圆角类型”选第一个，选择要倒圆角的两条边线，输入适合的圆角尺寸后打钩确认。

     5. 完成叶轮

     叶片阵列。先打开“草图1”的显示，以显示转轴。之后在“特征”中找到“阵列”，下拉选择“圆周阵列”，左侧“方向”选择轴线，改为 “等间距”、“360°”、“7”枚叶片，之后下方默认阵列对象为特征和面，改为“实体”，点击选择叶片实体，打钩确认即可。

     叶片全部建模到此完成，之后将前后盖板旋转成实体，对拉伸的叶片进行切除，即可得到叶轮模型，不再赘述。

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