2019/04/01

如何在CAESES中,10步创建一个参数化蜗壳

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蜗壳的参数化建模是一项十分棘手的工作,单个蜗壳的建模看上去并不复杂,只是设计一条简单的型线;然而当你需要通过仿真结果来指导模型的变形及优化时,就会遇上很多的挑战。在优化过程中,我们一般需要模型能够自动变化更新,并且网格也能够自动生成。在这种情况下,我们必须能够通过参数控制模型变化,并确保所有的蜗壳模型变体有较好的密闭性及鲁棒性;另外,为了满足网格的要求,各个部件的面需要独立表征,以区分不同的边界类型;并且几何模型必须满足诸如A/R比等参数及其他一些尺寸约束。

在本篇文章中,我们整理了10个主要步骤来演示如何在CAESES中创建参数化的蜗壳模型。

第一步:参数化横截面构建

不同的客户可能都会有自己的方式来描述一个横截面,我们这里通过一种典型的方式来介绍其构建方法。为了有效地改变形状,通常需要定义二维参数,譬如进/出口宽度(相对于压缩机或涡轮蜗壳)、型心的数据、A/R的比值以及更多的用以控制形状的几何控制参数。这些控制变量可能会比较多,由你想生成的独立个体的形状所决定。在下图中,控制型线的还有NURBS曲线几个控制点的权重。

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定义一个参数化横截面

第二步:参数分布

对于横截面上的每个二维参数,您都可以创建函数来定义该参数在圆周方向上的变化。这些函数(或者说是参数分布)都可以在后面的设计研究和几何优化过程不断改变。

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对每一个参数,定义一个灵活的控制函数

第三步:生成圆周曲面

基于横截面的定义和相应的参数分布,你可以生成整个圆周曲面了。在CAESES里,我们可以使用“Lofted Surface”的方式(插入一系列有限数量的横截面),或者使用“Meta Surface”(它能直接根据二维截面定义和函数曲线来生成一个光滑的曲面)来生成圆周曲面。

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圆周曲面的生成

第四步:创建进出口

对应于创建的是涡轮还是压缩机的蜗壳,我们需要创建入口或出口几何。这部分模型通常不是特别复杂,一般是通过一个规则的表面或一个简单的B样条几何与圆形出口连接,同时我们也会引入一些参数来控制形状。

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进/出口几何造型

第五步:过渡段

从蜗壳螺旋段到进出口段的过渡段,我们可以直接使用简单的桥接曲面(Fillet surface)去光顺连接,或者我们可以定义两者直接连接线的形式,并使用“Meta Surface”来生成曲面,这样在形状变化方面能提供更详细的控制。

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创建一个平滑过渡曲面

第六步:创建偏移曲面

到目前为止的步骤都并不复杂,可能在几分钟内就能够创建所有的内容。但接下来为了构建蜗舌模型,我们需要做一些准备工作。我们需要为蜗舌曲面预留空间,首先我们需要将过渡段曲面及螺旋管蜗壳的一部分向外偏移(通过offset surface创建)。

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为相交曲面创建偏移曲面

第七步:曲面裁剪

在曲面偏移之后,我们将过渡段及螺旋管的初始曲面与偏移曲面相互裁剪,从而构建出一段间隙。我们可以使用CAESES里的“subsurface”的功能来去除裁减掉曲面(这样裁剪后的模型依然为曲面格式,方便进一步操作),或简单地通过Brep进行裁剪操作。如下图所示:

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为创建蜗舌而进行曲面裁剪

第八步:构建蜗舌曲面

生成蜗舌曲面是蜗壳设计过程中最有趣的部分,在这里我们可以通过多种方式对蜗舌模型进行详细控制。在这里,与蜗壳横截面类似,您可以将蜗舌的横截面定义为参数化的模板,并采用“Meta Surface”或带有衍生信息和轨道曲线的“Lofted Surface”来创建光滑的曲面。因此,你可以使用参数分布来详细控制蜗舌的形状。有些情况下蜗舌是具有恒定半径的圆角,此时我们只需要使用BRep的倒圆角功能就可以生成相应模型。

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在两个几何模型中间创建蜗舌曲面

第九步:封闭几何

最终,蜗壳的进口和出口需要用进行封闭,从而保证整个几何是水密的。此外,我们可以将各个曲面设置不同颜色,以便在后面网格化过程中能够区分它们。

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封闭所有的开口以获取一个封闭的几何

第十步:检查鲁棒性

正如导言中所述,我们并不是简单地创建一个单一模型,而是要创建一个可以用于设计优化的模型。因此,我们需要检查该模型在变型过程中的鲁棒性,即在参数变化时能够稳定的生成模型。在CAESES中,我们可以利用集成算法进行参数变化的自动检查。

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通过集成算法自动检查模型的鲁棒性

结语

我们总结了在CAESES中创建参数化蜗壳的关键性步骤,每一步中都可以通过参数对模型进行控制;通过构建标准化的建模流程及参数化控制的方法,能够方便的实现蜗壳模型灵活而稳定的变形,为蜗壳模型的多方案评估、自动化优化及后续的模型数据库建立奠定了基础。