基于MATLAB和Pro/E的离心鼓风机叶轮三维造型

利用MATLAB平台，结合叶轮理论和数学算法，编写离心鼓风机叶片参数化设计程序，凭借MATLAB良好的互通性，将叶片参数化设计数据导入Pro/E进行叶轮三维造型，达到离心鼓风机叶轮设计与造型数字化、一体化的目的。实例证明利用该方法能够实现子午面形状多变、加载规律多样、叶片厚度灵活变化、带分流叶轮的离心鼓风机叶轮的快速三维造型。

叶轮作为离心鼓风机的核心组成部件之一，是使气体提高能量的唯一途径[1]，常被比喻为离心鼓风机的“心脏”。叶轮三维造型一直是离心鼓风机设计开发中的重要环节。早期的离心叶轮造型方法是使用手动计算和手动绘制方法绘制叶片形状， 并用易于绘制的简单线条(例如直线和圆弧)代替了复杂的自由曲线。这种方法不仅不准确、精度低、繁琐耗时，而且容易受到人为因素的影响，存在不可避免的缺点[2]。随着三维建模软件的不断发展，具有强大曲线、曲面造型功能的三维建模软件(UG、Pro/E、CATIA等)被广泛应用于离心叶轮的三维造型[3] [4] [5] [6] [7]。

新中国成立尤其是改革开放以来，中国制造业飞速发展，推动了工业化和现代化进程，然而与世界先进制造水平相比，还存在明显差距。“中国制造2025”计划为中国制造业设计顶层规划和路线图，中国正从一个制造业大国向制造业强国转变。数字化技术是推动制造技术由经验制造向科学制造的转变的强劲动力，建模与仿真已成为数字化制造的核心[8]。计算机辅助几何设计(CAGD)技术的发展[9]，将人的创造性思维和综合分析能力与计算机的数据处理能力和几何造型能力结合起来，实现缩短研发周期， 减低成本和提高产品质量的目的[10]。

1984 年，MATLAB 由Math Works 公司正式推向市场的商业数学软件。随着MATLAB 的商业化和软件本身的不断升级，其功能越来越强大，集数值与符号运算、函数和数据可视化、实现算法、创建用户界面、连接其它编程语言等功能于一体，被广泛应用于科学研究和工程设计开发领域[11] [12]。

本文基于MATLAB 平台，利用Bezier 曲线定义离心鼓风机叶片子午面形状，给定叶片的加载规律和叶片厚度分布规律，进行参数化设计编程和可视化处理，建立叶片的空间参数模型，结合Pro/E 软件实现对离心鼓风机叶轮的三维实体造型，提高离心鼓风机设计开发效率，符合数字化制造的潮流。

2. 叶片参数化造型程序 叶片参数化造型在MATLAB 平台编程完成，程序流程图如图1 所示。

2.1. 叶轮初始参数 本文以某已生产运行单级高速离心鼓风机为例，其设计流量为2.1 kg/s，转速为27,000 rpm，压比为1.7。叶轮为半开式叶轮，叶片形式为后弯式，如图2 所示。叶轮基本几何参数列于表1 中。