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CAD 技术及其应用技术及其应用实验指导书实验指导书编写: 机电学院 054 系南京航空航天大学南京航空航天大学2015 年 3 月CAD 技术及其应用实验指导书技术及其应用实验指导书实验二:曲面造型实验二:曲面造型实验名称:实验名称:整体叶轮曲面造型实验性质:实验性质:上机操作计划学时计划学时:6 学时一、一、实验目的实验目的在理论学习的基础上,通过上机操作使用 CATIA 软件,理解 B 样条曲线曲面表示方法和曲线曲面造型的基本方法。二、二、实验内容实验内容给定叶片截面测量数据点、轮毂的尺寸图和相关参数,在 CATIA 软件中进行整体叶轮的曲面造型。另外,在叶片造型完成后,需要完成下列要求的工作:(1)在叶片周向、径向和任意方向(取为 45 度)三个方向进行圆形截面沟槽、三角形截面沟槽、带圆角矩形截面沟槽、锯齿状截面沟槽。(2)截面大小取为 50 微米三、三、实验数据实验数据本实验采用的数据来自生产实际,这里在满足实验要求的基础上,对尺寸、设计参数、造型要求等进行了简化。叶片截面数据点数据:1.dat,2.dat,3.dat,4.dat,5.dat。各截面数据位于与 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。轮毂为旋转体,剖面图关键尺寸如图 1 所示。造型要求:叶片共 16 片均匀分布于轮毂最外面上;各叶片与轮毂表面以半径 R=0.4mm 圆弧过渡;叶片凸面、凹面之间平滑过渡,其具体过渡尺寸这里不做要求。叶轮最终造型示意图如图 2 所示。图 1:轮毂剖面图图 2:整体叶轮曲面模型四、四、实验步骤参考实验步骤参考整体叶轮曲面造型分为以下三个部分:单个叶片造型、轮毂造型和叶轮合成。A,单个叶片造型,单个叶片造型 A1,读入文件,读入文件 启动 CATIA 后,在菜单项中选StartShapeDigitized Shape Editor,进入 Digitized Shape Editor(数字曲面编辑)单元,此单元可对测量数据进行读入和处理。点击Import图标或选择菜单InsertCloud Import(为查找方便起见,后文中命令均只提供菜单选择方式) ,选取 5 个叶片截面文件,并将Format 选为“Ascii free” ,注意请点击选项 Grouped 前按钮,使之为白色未选上状态,如图 3 所示。Grouped 的“未选上”状态,可使读入的各个文件中的数据是独立的;否则所有文件将合并成为一个整体,不利于后续处理。图 3:读入点云选择菜单ViewFit All In,可将点云显示在屏幕中间,为显示效果更好,可点击鼠标右键,选择菜单Properties来修改点的 Symbol(形状) 。显示如图 4所示。图 4:叶片截面点云 A2,扫描线生成,扫描线生成 有了读入的点云,可选择这些点云用3D Curve命令来创建曲线。但此命令既支持选择读入的点,也支持屏幕上的任意点,因而常容易产生不需要的点。3D Curve命令在单元 StartShapeFree Style中的菜单InsertCurve Creation3D Curve下。这里先将点云生成扫描线后,再进行曲面拟合。系统仍然处于 Digitized Shape Editor 单元状态,选择菜单InsertScan CreationScan On Cloud,选择叶片截面数据,按照顺序依次选择所有的点,在最后一点处鼠标双击就可生成一条扫描线。这里将叶盆数据和叶背数据分开,所以共生成 10 条扫描线,如图 5 所示。注意:为后续曲面造型方便,选择每条扫描线时保持顺序一致。图 4:扫描线 A2,BSpline 截面线生成与分析截面线生成与分析 选择菜单InsertCurve CreationCurve from Scan,出现如图 5 所示的对话框,将根据扫描线拟合生成 Bezier 曲线。Creation mode 选择 Smoothing方式,生成的曲线光滑度会更好;如果选择 Interpolation 方式,则将生成插值曲线,通过所有点,但曲线的光顺性很差。Parameters 中,Tolerance 的含义是曲线拟合与原点云的误差允许值,Max. Order 的含义是 Bezier 曲线的最高阶数,Max. Segments 的含义是一条 Bezier 曲线中包含的段数的最高值,Split Angle 的含义是扫描线上某点处的夹角超过该角度时,分别拟合成多条曲线。三个图形按钮分别控制是否显示 “曲线的曲率图” 、 “曲线与点云的最大偏差值”和“曲线的阶数和段数” 。这里各参数初始值可选为如图 5 所示的结果:Smoothing 方式、Tolerance为 0.005mm、Max. Order 为 6、Max. Segments 为 40、Split Angle 为 90、显示曲率图。选择一条扫描线(这里以叶背上靠叶根处的扫描线为例) ,点击 Apply 按钮,将显示如图 6 所示的结果,可以看到曲线在两端曲率变化较大,图上“Fixed”的含义是曲线的端点限定为扫描线的端点。图 5:Curve from Scan 对话框图 6:曲线拟合点击另两个图形按钮,可以查到该曲线的所有分析结果:最大偏差为0.0035,曲线的阶数为 6,共有 15 个曲线段, 如图 7(a)所示。将 Tolerance 改为 0.02mm、0.005mm,得到图 7(b) 、 (c)的结果。分析各图可知:将允许误差从 0.005mm 升高为 0.01mm,曲线的曲率变化明显平滑些,曲线的光顺性有不少提高,而再升为 0.02mm,曲线的光顺性提高不大,但最大偏差 0.018mm有点高。综合精度和光滑性考虑,这里 Tolerance 取为 0.01mm。(a)Tolerance=0.005(b)Tolerance=0.01(c)Tolerance=0.02 图 7:曲线分析 将所有扫描线拟合成曲线,则完成截面线的拟合,有图 8 所示的结果,这里将扫描点、扫描线均隐藏不显示。图 8:拟合好的曲线 A3,叶背、叶盆曲面生成和分析,叶背、叶盆曲面生成和分析选StartShapeGenerative Shape Design,进入 Digitized Shape Design(创成式外形设计)单元,此单元提供各种曲线、曲面设计、分析功能,如曲面设计功能有:拉伸、旋转、扫略、蒙皮等。选择菜单项InsertSurfacesMulti-sections Surface,出现如图 9 所示的对话框,上面的文本框中将显示所选择的截面线,下面的文本框显示所选择的导引线(此例中此项为空) ,如果中间需插入或删除某截面线,可用Remove、Add 按钮。在屏幕上按顺次点击需要拟合的截面线,注意观察各箭头指示的截面线方向是否一致,图 10 显示的是已经选择后的 5 个截面线,可以用来生成叶背曲面,如图 11 所示。图 9:Multi-sections Surface 对话框图 10:截面线选择 图 11:叶背曲面可以对生成的曲面进行分析。为能够看到分析结果,需更改显示方式。选择菜单项ViewRender StyleCustomize View,选择 Material 选项。首先我们对构成的曲面进行曲率分析。选择菜单项InsertAnalysisSurfacic Curvature Analysis,将弹出如图 12、13 所示的对话框,在 Type 中我们选择“Gaussian(高斯) ”曲率类型,其它选项保持缺省值“Color Scale” 、和“Positive only”不变。在图 13 的色标对话框中,点击 Use Min Max 按钮,这样曲率的最小值为红色,最大值为紫色,其他各值为各插值颜色。可以得到曲面的 Gaussian 曲率图,如图 14 所示。这里高斯曲率的最小值也大于零,说明曲面在各处均为凸,符合叶背曲面形状特点。图 12:Surfacic Curvature Analysis 对话框图 13:Color Scale 图 14:曲面 Gaussian 曲率图接着我们对构成的曲面进行等照度线(俗称斑马线)显示分析。此分析功能在 FreeStyle Shape Design(自由型外形设计)单元中。因为一般来说,在Generative Shape Design 单元中设计的曲面无需进行此类分析。选StartShapeFreeStyle Shape Design,进入 FreeStyle Shape Design(自由型外形设计)单元。选择菜单项InsertAnalysisIsophotes Mapping,弹出如图 15 所示的对话框,这里 Mapping Type 选择球形映射、 ,在图形区选择叶背曲面,调整图 15 对话框中的移动条,可得到如图 16 所示的结果,说明曲面光顺性很好。图 15:Isophote Analysis 对话框图 16:等照度线曲面分析 再次进入 Digitized Shape Design(创成式外形设计)单元,用 Multi-sections Surface 命令创建出叶盆曲面,得到如图 17 的结果,同样可对叶盆曲面进行分析,这里省略。图 17:叶背、叶盆曲面A4,构造叶背、叶盆之间的过渡曲面,构造叶背、叶盆之间的过渡曲面 选择菜单项InsertSurfacesBlend,出现图 18 所示的对话框,按照对话框提示,分别选取叶背右边界线为 First curve、叶背面为 First support、相应的叶盆边界线为 Second curve、叶盆面为 Second support,各面的continuity(连续性)为 Tangency(切向连续) ,点击 Preview 按钮可得到图预览图 19 所示的预览结果。再点击 OK 即可生成叶背、叶盆之间的过渡曲面。同样,可生成另一过渡曲面。图 17:Blend Definition 对话框图 17:叶背、叶盆过渡曲面 A5,填充叶顶处曲面,填充叶顶处曲面 叶顶处曲面可用填充方法来生成。选择菜单项InsertSurfacesFill,出现图 18 所示的对话框。依次选择叶顶处的四条边界,过渡面处边界很小,不容易正确选择,可将曲面局部放大后再选择,如图 19 所示。在生成叶顶曲面前可以用 Preview 按钮预览填充面的结果。图 18:Fill Surface 对话框图 19:曲面的局部放大 B,轮毂造型,轮毂造型 B1,草图设计,草图设计 在屏幕左边的特征树上选择“zx plane”作为轮毂草图的绘制平面,如图 20所示。选择菜单项InsertSketcherSketch,进入草图绘制状态。按照图 1给出的轮毂草图尺寸绘制出如图 21 所示的草图,可以先绘制草图的左半部分和对称轴,然后用镜像的方法得到全部,具体绘制方法这里省略。且在 V=0 的位置绘制一条水平轴线,作为将来的旋转轴。绘制完成后,点击“Exit Workbench”图标退出草图状态。图 20:选择草图平面图 21:轮毂草图 B2,轮毂曲面生成,轮毂曲面生成选择菜单项InsertSurfacesRevolve,出现如图 22 所示的对话框,在 Profile 项中选择刚绘制的草图,在 Revolution axis 项中选择特征树中的HDirection(如图 23) ,Angle 1 和 Angle 2 分别设为 360 度和 0 度。图 22:Revolution 对话框图 23:选择旋转轴 将得到如图 24 所示的轮毂旋转曲面。图 24:轮毂曲面C,叶轮合成,叶轮合成现在叶片和轮
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