基于UG OPEN/API的魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化建模

何惠江, 李 楠

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基于UG OPEN/API的魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化建模

何惠江1, 李 楠2

(1. 西安駐東風(fēng)儀表廠代表室, 陜西 西安, 710065; 2. 海軍工程大學(xué) 天津校區(qū), 天津, 300450)

對轉(zhuǎn)螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計是魚雷外形優(yōu)化設(shè)計中很重要的部分。該文在現(xiàn)有UG二次開發(fā)語言UG OPEN/ API的基礎(chǔ)上, 提出了一種對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化3D建模方法, 建立了魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳的參數(shù)化模型, 利用該方法能夠簡化對轉(zhuǎn)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計的分析流程, 具有較高的實用價值。

魚雷; 對轉(zhuǎn)螺旋槳; UG OPEN/API; 參數(shù)化3D建摸

0 引言

魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳是2個特定的普通螺旋槳, 分別安裝在2個同心的內(nèi)外軸上, 采用彼此向相反方向旋轉(zhuǎn)的推進方式, 推進效率比普通螺旋槳高出8%~14%。前后槳的扭矩平衡, 而偏航扭矩最小,這有利于保持航向和提高機動性。對轉(zhuǎn)螺旋槳的這些特點正是魚雷推進系統(tǒng)所要求的, 所以目前在魚雷推進系統(tǒng)設(shè)計中普遍采用對轉(zhuǎn)螺旋槳。對轉(zhuǎn)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計的前提是建立參數(shù)化模型, 以參數(shù)為設(shè)計變量來建立優(yōu)化模型。然而在魚雷總體設(shè)計領(lǐng)域, 如何建立魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳的參數(shù)化模型一直是該領(lǐng)域的研究重點。

本文利用UG/Open API[1]對魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳的3D建模進行二次開發(fā), 建立了魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳的參數(shù)化3D模型，以實現(xiàn)簡化對轉(zhuǎn)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計。

1 對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化3D設(shè)計技術(shù)

1.1 UG OPEN/API程序

UG OPEN/API模塊是UG NX提供的一個二次開發(fā)語言模塊, 它提供的功能全部以標(biāo)準(zhǔn)C語言頭文件(*. h文件)的形式保存在UG NX目錄下的UG OPEN目錄中。UG OPEN/API根據(jù)程序編譯鏈接情況的不同, 可分為Internal和External 2種不同的環(huán)境。External可以*.exe方式在操作系統(tǒng)下直接運行, 獨立于UG NX系統(tǒng), 但是用戶無法與圖形進行交互。而Internal類型只能在UG NX環(huán)境下運行, 該程序以*.dll的方式被調(diào)入UG NX環(huán)境中。UG OPEN/API程序主要包括3部分: 入口函數(shù)ufusr()、實際工作函數(shù)do_ ugopen_api()和調(diào)用函數(shù)UF_CALL(X)(report)。在頭文件聲明中必須包括“uf.h”、“uf_modl.h”、“uf_ui.h”3個頭文件。

1.2 對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化3D設(shè)計技術(shù)

螺旋槳槳葉型值點在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值可根據(jù)螺旋槳槳葉展開前后型值點的幾何關(guān)系(如圖1), 通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到[2-3]。在這里, 螺旋槳槳葉3D外形是由一系列以螺旋線為基準(zhǔn)線的3D曲線集合而成, 螺旋線上的任意坐標(biāo)可以圓周角為參數(shù)進行定義, 具體公式為

式中: r為半徑; p為螺距。通過改變半徑會在不同半徑處產(chǎn)生相應(yīng)的螺旋線。所有螺旋線的集合構(gòu)成一個螺旋面。

如圖1所示, 螺旋面槳葉背面上的任意一點￠的坐標(biāo)為(,,), 展開圖上與￠對應(yīng)的為點,￠在系統(tǒng)坐標(biāo)系水平面上的投影為￠,￠對應(yīng)的圓周角為。準(zhǔn)線與葉片展開面的交點為, 葉片上其他各點都以點為基準(zhǔn)點。由圖可知,=,=1。圖1中△為直角三角形, 可得

其中,為螺距角。

式中:為沿葉剖面弦長自鼻端到弦上某點的距離;為葉剖面沿弦長各型值點對應(yīng)的半厚度。如果葉剖面的拱度不為零, 還要考慮拱度的影響。將式(3)代入式(1)可直接得到￠的坐標(biāo)(,)。同時, 由螺旋線的幾何特征及圖形關(guān)系可知,和￠的坐標(biāo)相同, 它們相對于點的坐標(biāo)可表示為

后傾()通常用后傾角和圓弧半徑來表示

考慮到后傾角的影響,￠的坐標(biāo)可表示為

綜上所述, 螺旋槳葉片上的任意型值點坐標(biāo)可表示為

2 對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化3D建模實例

所謂參數(shù)化建模就是將模型的一些幾何變量以參數(shù)的形式賦值, 利用參數(shù)值驅(qū)動零件和部件的特征尺寸, 綜合考慮各部件間的定位和位置變換關(guān)系, 在不改變模型拓補結(jié)構(gòu)的情況下快速生成特定對象的模型圖。參數(shù)化建模技術(shù)的應(yīng)用為反復(fù)生成各種尺寸的特定結(jié)果模型提供了極大的方便。

根據(jù)前面所論述的螺旋槳3D參數(shù)化建模方法, 這里給出一個CRP1對轉(zhuǎn)螺旋槳實例。

1) 提取設(shè)計參數(shù)。根據(jù)對轉(zhuǎn)螺旋槳的幾何特點, 將前槳直徑1、后槳直徑2、前槳槳葉數(shù)1、后槳槳葉數(shù)2、前槳轂徑比x1、后槳轂徑比x2、前后槳盤面距離0、前后槳葉錯角等作為設(shè)計參數(shù)提取出來。具體參數(shù)值詳見表1~表3, 表1中:x為沿葉剖面弦長自鼻端到弦上某點的距離與弦長之比;y為葉剖面縱坐標(biāo)(半厚度)與最大厚度之比;y為拱弧線坐標(biāo)與最大拱度之比。表2中:1,2為無量綱半徑, tan1,2為水動力螺距角的正切值。表3中:1,2為無量綱半徑,/為弦長直徑比,/為厚度直徑比,/為拱度弦長比。

已知數(shù)據(jù)如下[4]:

前槳直徑1=0.236 m

后槳直徑2=0.230 m

前槳槳葉數(shù)1=6

后槳槳葉數(shù)2=7

前槳轂徑比x1=0.452

后槳轂徑比x2=0.307

前后槳盤面距離0=0.083 m

前后槳葉錯角=18°

翼型剖面NACA66mod 0.8拱度

2) 通過VsualC++進行編程, 計算出單槳葉所有性質(zhì)點的坐標(biāo)值, 并輸出為txt文件。

3) 編譯單槳的UG API程序。先通過函數(shù)sprintf(filename, “*.txt”)讀出所有單槳上的型值點坐標(biāo)值, 然后用函數(shù)UF_CURVE_create_point

表1 NACA66 mod翼型剖面型值表

表2 前、后槳葉剖面水動力螺距角分布

表3 前、后槳幾何參數(shù)

生成所有點, 接著用函數(shù)uf5080在槳葉的不同半徑處生成封閉曲線, 最后用函數(shù)CreateSheetbody ()生成覆蓋槳葉的曲面, 從而生成單槳葉的3D圖,如圖2所示。

圖2 單槳葉3D圖

4) 利用函數(shù)UF_CSYS_create_csys不斷地改變工作坐標(biāo)系, 在各個坐標(biāo)系上重復(fù)步驟2的過程, 生成對轉(zhuǎn)螺旋槳的3D圖, 如圖3所示。

圖3 對轉(zhuǎn)螺旋槳3D圖

4 結(jié)束語

本文提供了一種利用UG二次開發(fā)工具UG OPEN/API進行魚雷對轉(zhuǎn)螺旋槳參數(shù)化建模的方法, 使對轉(zhuǎn)螺旋槳的模型參數(shù)化, 有利于就對轉(zhuǎn)螺旋槳模型進行優(yōu)化。設(shè)計人員只需控制前槳直徑、后槳直徑、前槳槳葉數(shù)、后槳槳葉數(shù)、前槳轂徑比、后槳轂徑比、前后槳盤面距離、前后槳葉錯角、翼型剖面、水動力螺距角的分布以及一些幾何參數(shù)就可以自動生成對轉(zhuǎn)螺旋槳的模型,并將此模型輸入ANSYS和FLUENT中進行強度分析和流體分析。大大簡化了分析流程, 具有很高的實用價值。

[1] 莫蓉, 常智勇, 劉紅軍, 等. 圖表詳解UG NX二次開發(fā)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[2] 端木義寧. 對轉(zhuǎn)螺旋槳及應(yīng)用[J]. 航海技術(shù), 1997(5): 48-50.

[3] 姚山, 麻春英, 徐艷麗, 等. 復(fù)雜曲面船用螺旋槳鑄造工藝三維參數(shù)化設(shè)計[J]. 鑄造技術(shù), 2006, 55(10): 1004- 1007. Yao Shan, Ma Chun-ying, Xu Yan-li, et al. Complicate Surface of Propeller Using by Ship and It's Casting Process' 3D Parameterized Designing[J]. Foundry, 2006, 55(10): 1004-1007.

[4] 張宇文. 魚雷外形設(shè)計(下冊)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.

Parametric Three-Dimensional Modeling for Torpedo Contra-Rotating Propeller Based on UG OPEN / API

HE Hui-jiang1, LI Nan2

(1. Military Representative Office, Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China; 2. Tianjin Campus, Navy University of Engineering, Tianjin 300450, China)

Optimization design of contra-rotating propeller is an important part in torpedo shape design. This paper presents a parametric three-dimensional modeling method for contra-rotating propeller based on UG's second deve- lopment tools OPEN/API, and a parametric model of torpedo contra-rotating propeller is hence established. The modeling method can simplify the analysis process of optimization design of contra-rotating propeller.

torpedo; contra-rotating propeller; UG OPEN/API; parametric three-dimensional modeling

TJ630.33

A

1673-1948(2011)01-0010-04

2010-06-12;

2010-12-31.

何惠江（1976-）, 男, 碩士, 主要研究方向為水聲信號與信息處理.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)