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1、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
2、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
3、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 Im
4、port（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
5、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
6、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，M
7、ax. 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
8、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
9、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InsertSu
10、rfacesMulti-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 Styl
11、eCustomize 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
12、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InsertAnalysis
13、Isophotes 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
14、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
15、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
16、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
