一、前言

  　  在大型汽轮机（涡轮机）零件中，叶片的设计是比较难的一个环节。因为一般的叶片在径向、轴向都有扭动（俗称“3D扭转叶片”），而且这些叶片的前缘和后缘曲率变化十分剧烈。这种叶片实体是由许多曲面构成，同时对于叶片的表面质量还有很高的要求。设计情况如果不理想，或者设计精度不高，都会对后续的加工，以及整台汽轮机的效率、使用寿命和运行安全带来致命的影响。因此，目前国内的企业普遍都引入了三维高端CAD/CAM/CAE软件，希望提高对于复杂产品的设计能力。

    　Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，是当今世界非常先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发（VPD）的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。自从我公司引进UG NX以来，以其先进的理论、强大的工程背景、完善的功能和专业的技术服务深受广大工程师和专业技术人员的喜爱，并将其最大程度的运用到实际开发、研究和生产制造中去，使我公司的技术手段与国际水准接轨，持续提高新产品的设计周期和设计质量，并使我公司生产出高质量低成本的汽轮机成为现实，有力地参与国际化的市场竞争。

    二、传统设计方法

   　 60年代末，70年代初，国内绝大多数汽轮机制造厂在设计汽轮机叶片时，均采用速度三角形法，它以均匀一元流动理论作为理论基础，以平面叶栅的静吹风试验为依据，通过基本热力方程和速度三角形确定叶片参数，然后根据热力参数，绘制叶片型线。

图1  传统的绘图工具：图板、三角板

    　传统叶片绘制的方法有许多种，如：保角变换法、扭曲三角形法、单锥面展开法、逐点计算法等。而这些方法不容易表示出叶片的流线形状和角度变换规律，即使能表示出叶片形状，其计算量及其繁琐，工作量也及其繁杂，并且只能描绘叶片的一元流动状况和简单的二元流动状况，不能完整的描绘实际三维流场情况，给工程研究和科研分析带来不便。

    三、AutoCAD的二维设计

   　 90年代，AutoCAD软件作为世界领先的设计技术登陆中国，但二维CAD仍然建立在传统的三视图表达零件的基础上，以图纸为媒介进行技术交流，仅仅完成了“甩图板”。（所谓 “甩图板”，其实仅是以计算机平面绘图替代手工绘图而已。）二维AutoCAD软件设计的叶片克服了手工绘图的设计误差，提高了绘图的精度。

    　在机械行业仍然沿用传统的设计原理，但一些单位开始用计算机绘图替代手工绘图，用传统设计理论结合计算机绘图，绘出叶片、叶根型线图。按订单制造、客户化设计的工作量很大，几乎每一份合同、每一个用户均有对应的大量设计改型工作，设计效率和产品生产周期并没有得到本质上的改善。

   　 二维CAD软件设计的叶片克服了手工绘制的设计误差，提高了绘图的精度，但仍然不能完整和直观的反映叶片的复杂三维结构。
  

图2  用AutoCAD生成的二维叶片型线图纸          图3  装满叶片的汽轮机转子的实际产品

    四、基于UG NX的三维曲面造型

    　汽轮机叶片是由多个不规则曲面组成的零件，是不能用解析方程定义这些曲面的，为了满足叶片设计的流体动力学特性要求，我们采用NURBS曲面逼近方法进行曲面造型。通常情况下对于叶片这么复杂的零件，在CAD软件的设计处理上往往不能一次成型， 必须分类分区域的对曲面进行构建，然后对曲面再做详细的处理，才能达到良好的效果。

    1．云点输入

    　在叶片的构建过程中，设计人员根据空气动力学原理，得到该叶片若干个不同直径下的横截面中的云点数据，（根据不同用途的叶片，具体数据会有所不同。）由于各截面上的三维坐标点数据量较大，精度要求较高，将这些云点通过Grip程序输入。
   

图4  通过Grip程序输入的云点               图5  使用Spline命令拟合的样条曲线

    2．线处理

   　 使用Spline（样条）命令，拟合样条曲线，并分析这些样条曲线的曲率梳是否光滑，是否存在曲率反向点，然后结合曲率梳对样条曲线进行详细调节。
   

图6  原始样条曲线的曲率梳
 
图7  经过调整后的样条曲线的曲率梳

 3．曲面构造

    　在调整完曲线以后，就可以构造叶片曲面了。在曲面构造中，采用Free From Feature（自由曲面特征）对光滑样条曲线用Through Curves或者Ruled方法造型。

    4．曲面修整

    　一般情况下，由于数据精度问题可能造成构造出的曲面在过渡部分曲率变化剧烈，甚至出现扭曲现象，曲面质量不是很好。利用Analysis/Face功能对曲面进行曲面光影分析，对原有的云点数据和样条进行调整，直到满意为止。
      

图8  叶片曲面构造   图9  曲面的光影分析    图10  完整的三维扭叶片

    5．叶片其余部分的建立

    　叶片其余部分均为一般有规则的几何体，如：叶根、拉筋、围带等。利用Feature Operation（特征操作）功能，就能轻松完成造型，并且与曲面Sew（缝合）在一起，注意在接缝处利用Face Blend（面倒圆）进行相切过渡，使整个叶片具有一定的流线型和流动特征，从而完成整个叶片的造型。
  

图11  数字化虚拟叶片的三维效果图   图12  “五联”叶片整体安装后的效果图

    五、基于UG CAM/CAE模块的特殊应用

    1、基于UG CAM的数控加工技术

   　 UG CAM系统为通用机械工业提供了多种专业的解决方案，比如高效率的平面铣切，针对铸件及焊接件的精细加工，大批量零件的车加工和钻孔加工等，对于产品特征的加工可实现高效的自动化，以解决数控刀轨的生成、加工和加工验证等问题。

   　 通过运用高效的程序编制软件UG CAM使得产品加工直接从三维模型生成加工程序，运用网络数据库选择合适的加工参数和刀具参数，减少了中间环节，提高了工作效率，而机床联网与远程通讯，数控程序的编制与仿真，数控程序的数据库管理是一个有机的整体，共同完成程序通讯、设备管理、程序编制、仿真以及程序的数据库管理、人员权限设定等功能，使得设备网络化、程序管理科学化，从而实现了安全高效生产。

    (1)获得叶片三维模型

   　 由工艺人员直接从PDM上获取设计人员设计创建的零件三维设计模型。

    (2)设计通用加工模板

    开发应用UG NX软件的CAD/CAM功能，直接对三维图形设计数控加工工艺。

    (3)根据叶片所需加工的特征选择加工模板

    确定零件装夹位置，选取适当的加工刀具，设定工艺参数、切削参数及刀轨路径。

    (4)生成加工刀具轨迹

    由软件自动计算生成加工零件刀具轨迹。

    (5)加工仿真及干涉检测

    在计算机上可形象地查看零件动态切削过程，进行迅速的实体预览，过切与干涉部分以醒目的颜色表示出来，同时标出相应程序的位置，并可马上修改。

    (6)生成NC加工程序

    Post Processor后置处理功能强大，通过它可以生成3-AXIS﹑4-AXIS﹑5-AXIS数控机床加工程序。
   

图13  全三维叶片的加工刀具轨迹     图14  全三维叶片的加工仿真及干涉检测

2、基于UG CAE的数字化仿真分析技术
 
  　  UG CAE提供了一个全面的世界级的数字仿真解决方案，可以帮助用户免除在产品开发过程中的烦恼，同时，他还支持从概念设计到样机测试的总体性能评估，有助于用户改进产品质量，减少错误和维护费用，并消除长时间的设计、构造、更改迭代。通过利用NX仿真过程工作室（NX Simulation Process Studio）解决方案，我公司正在努力争取全面整合UGS公司的仿真解决方案，这可以使各级客户和用户都能够很容易地自动操作重复的数字化仿真任务，同时还能够获得专业知识和非常好的业务实践。

  　  UG有限元分析是一个集成的CAE工具，它能将几何模型转换为有限元分析模型，快捷地对UG的零件和装配进行前、后置处理。它与求解器UG/FEA集成，可以进行线性静力分析、模态分析和稳态分析。有限元分析作为设计过程的一个集成部分，用于评估各种设计方案。其分析结果可以优化产品设计、提高产品质量、缩短产品上市的时间。

   　 该模块含有限元分析求解器UG/FEA，它提供了广泛的求解类型，包括线性静力、标准模态、稳态热传递和线性屈服分析，同时还支持装配部件，包括间隙单元的分析，并可对薄壁结构和梁的尺寸进行优化。UG/FEA支持各向同性和各向异性的材料类型。
 

图15  某机组末级叶片拉金成组后的有限元模型分析
 
图16  基于UG NX的汽轮机叶片做三维流场分析

    六、结论

    　 三维技术之所以能迅速成为CAD技术的主流，是因为他有许多传统的平面二维设计所无法比拟的优越性。二维CAD技术虽然能够提高绘图效率，但还是像传统的手工绘图那样用投影图来描述物体，而三维CAD技术则是利用计算机提供一个模拟的三维空间，在这个三维空间里直接建构物体的模型，表达自己的设计意图，因此对几何形体的描述比传统的二维技术更真实、更准确、更全面。下面从几个方面比较三种设计方法的差异。

  　  三种设计方法的差异导致其应用环境的差异，传统手工制图由于效率低、容易出错和更改困难等无法克服的缺点，逐渐没落，只是在简单的工艺示意图和讨论设计方案得到应用。随着我国CIMS工程的开展，二维CAD作为“甩图板工程”的替代者已经得到了普及和推广，但是二维CAD并没有根本性的改变传统的设计方法，而这类设计方法已不能适应当前市场对于产品的各种要求，如更新换代迅速、产品外形美观新颖等。企业需要进一步发展到三维CAD，最终提高企业的产品开发活动的高效和质量。
 
   　 通过分析国外的状况，我们可以预言的是：企业的CAD环境直接对应企业的技术层次和行业地位。配置二维CAD软件的企业往往只能从事简单零件生产，成为大企业的配套厂家。而要引领行业的发展，获取市场的认同，必须采用三维CAD及其产品数据管理系统。因为这类企业需要极强的产品开发和产品开发控制能力。(E-works)