液力变矩器叶栅系统样条拟合参数设计体系

　　引言

　　参数化设计,也称为尺寸驱动,是CAD技术中最重要的技术之一[1~2]。对于液力元件,为实现叶栅系统的优化设计和设计参数的敏度分析,需要在满足叶片拓扑结构的共性基础上,通过对参数的局部驱动,实现相似叶片的柔性设计[3]。具体而言,就是针对多个叶轮的叶片结构三维拓扑形状,用一组尺寸参数通过几何和工艺约束进行描述,通过人机交互操作或算法的自动寻优,对参数进行调整并可直接反映到最终叶片结构上。

　　叶栅系统参数繁杂,传统循环圆参数化设计较为复杂[4~5],内、外环的多段圆弧不易保证相切,随着循环圆设计理论和现代制造工艺的发展,变宽度循环圆设计方法[6]可以有效地解决这一问题。本文在此研究基础上,提出液力变矩器叶栅系统参数设计体系,并以UG/OPEN API外部模式的二次开发作为设计工具,实现叶栅系统的完全参数化设计以及对应叶片模具的设计。

　　1　叶型参数设计方法

　　实现叶栅系统造型设计有两种途径,一种是根据给定各设计参数(如入、出口角度值等)进行正向工程设计;另一种是根据对已有叶栅系统进行测绘后,利用所得离散测绘点拟合并重构曲面以实现逆求工程设计。尽管逆向设计测绘点较多,但其叶片构型也可从正向设计出发[7]。由于结构形式和应用场合的不同,液力元件的叶片可分为等厚与不等厚两种形式[8],本文以较为复杂的不等厚叶片为主,以三元件向心涡轮式液力变矩器为研究对象,对其叶型参数设计体系进行研究。

　　叶片的拓扑结构以多条流线确定较为方例,对于液力变矩器叶栅系统设计,直纹面叶片具有便于铸造拔模和易于冲压等良好的工艺性,因此在叶片设计中经常采用。

　　同时利用内环流线、设计流线和外环流线3条流线构成直纹面叶片比较困难,并且通常在保证两条流线、调节第三条流线时,后者已经失真[9]。因此一般采用内、外环上的两条流线或内环和中间流线并自然扩展到外环来构造叶片,但后一种方法需要对叶片延伸部分进行旋转剪切,为加快三维优化设计和消除繁琐的人工交互,本文采用内、外环两条流线构造直纹面叶片,且为便于叶片拔模,通常假设液流分布遵循反势流规律,即

　　式中　Vu———内环到外环各点流速周向分量

　　U———叶轮转速

　　W———流道内相对速度

　　β———对应位置角度值

　　R———对应位置径向坐标

　　确定基本角度参数后,即可构建叶型展开图,其设计方法主要有以下几种:多控制点NURBS曲线设计[10],多控制点Bezier曲线设计[11],儒科夫斯基翼型设计[12]和样条设计[13]等。