基于UG的推进器三维建模与装配

摘要：推进器是一类典型的自由曲面零件，它的曲面形状和制造精度直接决定了突进效率和噪音大小，而自由曲面造型方法的研究将有助于动力性能的优化。该文以推进器的设计装配为例，比较详细的介绍了自顶向下装配设计思路与方法，重点介绍WAVE几何连接器、表达式创建与应用等的操作方法，为其他产品的设计提供参考。

关键词：推进器；自顶向下装配；UG；表达式；WAVE几何连接器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-1936-02

当下制造业最关键的是追求产品技术的开发与创新，当然也要保证成本和利润的合理性。然而机电设计产品的市场需要结构越来越复杂、功能更加强大而繁多、研发所需时间越来越少，还要适应不断创新的需求，促使机电产品的设计与制造需要更强大的软件。UG NX是当今世界最为流行的CAD＼CAM＼CAE软件之一，广泛应用于通用机械、模具、家电、汽车和航天等领域。UG NX软件为企业提供了无约束的设计，体现了更多的灵活性，并将主动数字样机引入到行业中，使工程师能够了解整个产品的关联关系，提升工作效率。根据推进器零件的特点，它的造型可以采用桨叶切面曲线展开的二维图，自动生成三维图，这种方法的缺点是，在三维造型过程中在确定每个桨叶切面曲线展开图的位置时，要先将切面曲线缠绕在直径不同的圆柱面上。为了省去这种麻烦，所以本文采用第二种方法，即已知参数和各切面尺寸的前提下，采用变换坐标的方法自动生成三维曲面。选择通过UG开发各个曲面型值点的空间坐标系的计算模块，利用空间点坐标来进行推进器三维建模。

1 推进器的设计装配

一个推进器的装配，共有 11 个零件组成。我们将会利用 UG 所提供的功能来贯彻我们的设计意图，系统地设计一个产品，在产品的零件与零件之间是怎样建立起尺寸关系、形状关系和位置关系的，并以这种设计方法为基础，来完成其它产品的设计。下图 1 就是我们将要建立的推进器模型。

1.1 建立推进器上下罩壳的实体

推进器下罩壳的内轮廓建立方法。我们将用草图来建立内轮廓的尺寸及约束。首先定义草图的工作平面、草图名称及工作层，其次为草图加入尺寸和几何约束，最后建立易于理解的表达式。旋转刚生成的草图，建立下罩壳实体。建立一个变量表达式控制边缘的宽度随着小孔直径的变换而变化。利用拉伸功能，建立顶部一个凸缘，并进行布尔求和，利用镜像特征完成另一个顶部凸缘。类似的方法建立两个端部凸缘，利用孔功能，在顶部凸缘上打通孔，利用圆形阵列命令，完成其余两个孔，镜像得到另一边的三个孔，最后倒圆角完成下罩壳。

利用主模型的概念来建立装配部件文件，采用由底到顶的装配技术，把下罩壳加到装配文件里来，建立第一个装配组件。加入时注意替换引用集到“body”，如果在加装配组件时，没有使用引用集，则装载后会把原文件中的辅助参考特征、草图等全加到装配文件里来。所以最好采用引用集替换功能。

接着建立上罩壳，上半部的罩壳形状，大部分与下半部相同，如图1所示。我们可以直接引用下半部的实体。新建一个上罩壳文件，然后打开装配文件，将上罩壳文件转化为工作部件，用 Wave 几何链接（Wave Geometry Linker）镜像下罩壳到 xxx_housing_top文件。在上罩壳中建立检查口，考虑到罩壳的尺寸与形状可能要改变，所以这检查口的尺寸也要有相应的变化。因此，必须建立相应的表达式。绘制草图， 建立一个部件间表达式控制检查口长度，检查口长度=2/3（0.66）倍的 inside_radius（下罩壳内半径）。作草图的相关偏置，拉伸相关偏置线到罩壳表面 （Trim to face），用斜度，然后布尔求和（键入参数时，注意5°的+/-）。拉伸（Extrude）草图线到罩壳内表面（Trim to face），用斜度，然后布尔求减（键入参数时，注意5°的+/-）。建立引用集：body（选上罩壳实体）。改变工作部件，替换引用集。

1.2 推进器的叶轮的设计

设计旋转叶轮，首先要考虑到叶片的数量可变化，叶片的形状有参数可控制。利用零件间表达式链接的功能，使该零件的某些参数与其他零件相关联。同时使用 Instance功能，使生成叶片的数量和位置可变化。打开种子文件：dau_seedpart_in.prt 建一新文件：xxx_impeller.prt。打开装配文件：xxx_impeller_assm.prt。加叶轮到装配：*Assemblies xxx_impeller.prt。建立叶轮基体：改变工作部件到 xxx_impeller建一圆锥。先把原点定义在 0，0，0 的位置。定义叶片形状。建立草图，拉伸叶片（Extrude），并作布尔加操作。建立部件间表达式，控制拉伸长度。叶片的高度与罩壳的最大内直径有关，必须随着罩壳的变化而改变。建立部件间表达式。最后阵列特征。运用 Wave Geometry Linker链接草图到工作部件中，使用带参数的片体来修剪实体。按尺寸建立孔特征和键槽，最后为每个叶片加相同的倒圆角。

1.3装配推进器罩壳和叶轮

用各种配对条件建立装配位置关系。打开装配文件并替换引用集，用对中心的方法建立叶轮与罩壳的配对关系。如图2所示。最后改变装配组件的颜色以示区分。

2 建立推进器的轴子装配

在轴子装配中共有三个零件，如图3所示。连结叶轮的叶轮轴、中间部分的延伸轴、接受能源输入的动力轴。在这过程中，我们先在子装配的文件中构建第一个零件的模型（叶轮轴），然后建立子装配文件的下一级装配组件文件：叶轮轴的文件，把建好的叶轮轴实体模型移到组件（叶轮轴）的文件中去。最后通过中心对齐和平面对齐将轴子装配到总装。这时，完成了轴子装配的全部定位。最后还要装配零件族里的各种联接、紧固标准件，如图4所示。然后进行配对定位。在装配紧固上下罩壳的螺栓时，必须用 Feature ISET 功能实现阵列。

3 结论

本设计的创新在于使用了UG软件，在该软件系统中输入已知的数据，这种方法可以解决非常复杂的自由型面的的生成，推进器中的螺旋桨就是这样一种自由曲面，若像普通曲面一样使用典型普通的建模方法逐一输入数据点，不只带来较大的工作量，还容易一处错误很难排查。本设计采用的UG是二次开发过的软件，将已经输入的各个数据点按要求编程，并以*.grs 的格式保存，为了降低大量繁杂的工作量，随后还要进入UG Modeling环境进行编写推进器中比较复杂的各个型面的曲线文件，推进器衔接的部分如切面和桨叶曲线会自动生成，并在UG环境中显示，从而降低了出错率。

参考文献：

[1] 苏玉民，黄胜.船舶螺旋桨理论[M].哈尔滨工程大学出版社，2003.

[2] 施法中.计算机辅助几何设计[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 朱心雄.曲面造型技术[M].北京：科学出版社，2000.

[4] 高永祥.零件三维建模与制造[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 袁锋.UG机械设计工程范例教程[M].北京：机械工业出版社，2012.