[发明专利]一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法

权利要求书

1.一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.在三维软件内对转轮的三维模型进行厚度分析，得到转轮各部分的平均厚度，并选择轻量化范围；

b.在轻量化范围内抽取壳体，形成具有相应厚度的“蒙皮壳体”；

c.利用填充单元在抽取壳体后的空间内形成框架结构，具体为：

c₁.测量抽取壳体后的空间大小尺寸，确定填充单元的层数；

c₂.按照“先平面再空间”的矩形整列方法排列，在起始平面内，沿长、宽方向均布填充单元，直至与壳体相交并超过壳体；其中，填充单元包括一个节点和若干均匀分布在节点上的连杆，所述连杆另一端的端部至少包括一个平面，相邻填充单元之间通过连杆上的平面实现面连接，且连接面不止一个；

c₃.利用壳体边缘修剪掉壳体外部的填充单元；

c₄.将该平面内的填充单元沿高度方向均布，并利用壳体边缘修剪掉壳体外部的填充单元，其中上下相邻的填充单元之间通过填充单元的连杆上的平面实现面连接，且连接面不止一个；

d.将填充完成的填充单元和壳体进行布尔运算求和，得到轻量化的转轮实体；

e.校核轻量化的转轮的强度是否满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：所述节点为球体、正多面体或者不规则体。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：转轮内的填充单元的尺寸大于25mm，且填充单元的数量小于200。

4.根据权利要求1或3所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：步骤e中校核轻量化转轮的强度具体包括以下步骤：

ⅰ建立转轮模型并导入Ansys，设定材料参数；

ⅱ对转轮实体单元进行离散网格划分，并按实际情况进行边界处理；

ⅲ设定该转轮的计算工况、重力载荷和试验水头，执行计算；

ⅳ判断轻量化后的转轮的强度是否满足水力试验需求。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：步骤ⅳ中的判断方法具体为：

P_l+P_b+Q＜3S_m，

其中，P_l一次局部应力，P_b为一次弯曲应力，Q为一次薄膜应力与不连续的弯曲应力，P_l+P_b+Q为转轮的最大等效应力为；S_m为设计的参考许用应力，且设计的参考许用应力具体为：

其中，σ_b为材料的强度极限，σ_s为材料的屈服极限，S_m为设计的参考许用应力。

6.根据权利要求1或5所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：步骤a中选择轻量化范围具体指：根据转轮的平均厚度、材质、直径以及运行工况来选择。

7.根据权利要求6所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：当采用非金属材料成型转轮时，在正常运行工况下,当转轮直径小于等于400mm时,抽壳后壳体厚度即为8-12mm；当转轮直径大于400mm并小于600mm时,抽壳后壳体厚度即为12-20mm,转轮直径大于600mm时,抽壳后壳体厚度为20mm及以上。

8.根据权利要求6所述的一种3D打印水轮机模型转轮的轻量化设计方法，其特征在于：当采用非金属材料成型转轮时，在极端或复杂运行工况下,抽壳后壳体厚度为20mm及以上。