螺旋槳強度計算的參數(shù)化設(shè)計

張遠雙

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430050）

螺旋槳槳葉為扭曲、變截面懸臂梁，在工作時主要受軸向力、周向力、離心力和偶然作用力等外力作用，產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸變形。為確保船舶安全航行，螺旋槳必須具有足夠的強度。為此，在船舶設(shè)計時必須核校螺旋槳的強度，并確定槳葉厚度的徑向分布。

根據(jù)中國船級社2001年頒發(fā)的《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）進行螺旋槳的強度計算，數(shù)據(jù)處理量較大，過程繁瑣。本文采用參數(shù)化方法，用AutoCAD VBA編寫相關(guān)的應(yīng)用程序，通過程序運行的方式，可以得到相當完美的強度計算結(jié)果，從而大大提高工作效率，同時程序具備較好的通用性，易于集成到其它應(yīng)用程序之中。

1 程序設(shè)計的要求和思路

程序設(shè)計的目的：通過程序運行的方式，自動完成螺旋槳的強度校核和槳葉厚度的徑向分布。參數(shù)化強度計算主要分為五大步驟：

（1）分析得出強度計算所需的螺旋槳主要參數(shù)。

（2）強度計算初始化數(shù)據(jù)的計算和分析。

（3）螺旋槳校核切面的選取以及其《規(guī)范》要求的最小厚度的參數(shù)化計算。

（4）螺旋槳槳葉厚度的徑向分布。

（5）應(yīng)用程序菜單、工具欄的設(shè)計和宏的自動加載等。

2 程序設(shè)計的主要步驟

2.1 螺旋槳參數(shù)分析和數(shù)據(jù)輸入窗體的設(shè)計

參數(shù)化強度計算涉及到螺旋槳的主要參數(shù)［1］為：螺旋槳的類型、槳葉數(shù)、槳直徑、螺距比、盤面比、轉(zhuǎn)速、材料系數(shù)、材料密度和主機功率等。在分析參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計數(shù)據(jù)輸入窗體（如圖1所示）。

圖1 數(shù)據(jù)輸入窗體

2.2 程序主模塊的設(shè)計

在AutoCAD中，打開【VBA管理器】對話框，進入VBA集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個新的工程，同時根據(jù)需要創(chuàng)建模塊和窗體（如圖2所示）、聲明表示螺旋槳參數(shù)等的有關(guān)模塊級變量，在各模塊中創(chuàng)建若干過程，并保存在適當?shù)奈恢谩?/p>

工程主模塊的主過程部分代碼如下：

Public Sub螺距修正主過程（）

……

圖2 工程結(jié)構(gòu)

Call初始化計算模塊.基本參數(shù)過程

Call功率系數(shù)計算模塊.功率系數(shù)計算過程

Call轉(zhuǎn)速系數(shù)計算模塊.轉(zhuǎn)速系數(shù)計算過程

Call規(guī)范要求的最小厚度計算模塊.規(guī)范要求的最小厚度計算過程

Call槳葉厚度徑向分布模塊.槳葉厚度徑向分布過程

Call計算結(jié)果輸出模塊.計算結(jié)果輸出過程

……

End Sub

2.3 初始化計算模塊的設(shè)計

程序初始化模塊的主要功能是提取和計算強度計算所必需的數(shù)據(jù)或參數(shù)，主要包括如下4個過程：

（1）基本參數(shù)過程：根據(jù)基本參數(shù)窗體提取螺旋槳的基本參數(shù)值。

（2）槳葉不同半徑處K值系數(shù)過程：根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，計算和處理不同半徑處的系數(shù)K1至K8。

（3）槳葉厚度計算過程：根據(jù)螺旋槳槳葉輪廓尺寸表［1］，計算標準槳葉不同半徑處的切面厚度。

（4）葉片弦長計算過程：根據(jù)螺旋槳槳葉輪廓尺寸表，計算標準槳葉不同半徑處的切面弦長。

2.4 強度校核相關(guān)模塊的設(shè)計

《規(guī)范》規(guī)定［2］：螺旋槳槳葉厚度t（固定螺距螺旋槳為0.25R和0.6R剖面處，可調(diào)螺距螺旋槳為0.35R和0.6R剖面處）應(yīng)不小于按下式計算所得之值

式中：Y為功率系數(shù)；K為材料系數(shù)；X為轉(zhuǎn)速系數(shù)。

2.4.1 功率系數(shù)計算模塊的設(shè)計

《規(guī)范》規(guī)定功率系數(shù)Y可按下式求得：

功率系數(shù)計算模塊主過程的部分程序代碼如下：

2.4.2 轉(zhuǎn)速系數(shù)計算模塊的設(shè)計

《規(guī)范》規(guī)定轉(zhuǎn)速系數(shù)X可按下式求得：

轉(zhuǎn)速系數(shù)模塊主過程的部分程序代碼如下：

2.4.3 規(guī)范要求的最小厚度計算模塊的設(shè)計

該模塊的主要作用是計算校核切面滿足《規(guī)范》要求的最小切面厚度，其主過程的部分程序代碼如下：

2.5 槳葉厚度徑向分布模塊的設(shè)計

根據(jù)強度校核的結(jié)果，在確定槳葉校核切面厚度的基礎(chǔ)上，利用不同的分布規(guī)律（如圖3所示）計算槳葉厚度的徑向分布。

圖3 徑向分布窗體

槳葉厚度徑向分布模塊主過程的部分程序代碼如下：

創(chuàng)建 HdfbZx、HdfbFxx、HdfbHl等自定義函數(shù)，有效地控制了程序中的變量數(shù)目，使程序結(jié)構(gòu)嚴謹、代碼簡潔，且較好地提高了計算效率。例如自定義函數(shù)HdfbZx的功能是根據(jù)葉梢厚度和0.25R（或0.35R）處槳葉厚度等，利用線性分布規(guī)律計算其它各葉切面厚度的大小。

2.6 菜單設(shè)計和宏的自動加載等［3］

菜單和工具欄是應(yīng)用程序必不可少的組成部分，其基本作用有兩個：一是提供人機對話的界面，以便讓用戶選擇應(yīng)用系統(tǒng)的各種功能；二是管理應(yīng)用系統(tǒng)，控制各種功能模塊的運行。

啟動AutoCAD時，要自動加載應(yīng)用程序和菜單代碼，需修改AutoCAD的文件夾“support”中"acad2004doc.lisp"文件。

3 程序的容錯處理

容錯處理是VBA應(yīng)用程序的一項重要內(nèi)容，在使用程序的過程中，可能會產(chǎn)生一些意想不到的錯誤或誤操作，程序應(yīng)對錯誤進行處理，以免程序中止。一般通過編寫On Error語句來設(shè)置錯誤陷阱、使用Err對象的有關(guān)屬性描述錯誤信息等，來處理程序代碼的不足和缺陷，以保證程序的正常運行。

4 結(jié) 語

采用編寫AutoCAD VBA應(yīng)用程序的方法進行螺旋槳的強度計算，與傳統(tǒng)方法相比較，優(yōu)點如下：

（1）程序具有較好的實用性和通用性，不同螺旋槳的強度計算，僅僅是數(shù)據(jù)源的差別。

（2）通過程序運行的方式進行強度計算，不僅提高了工作效率，而且能有效地保證計算結(jié)果的準確性。

（3）提高了數(shù)據(jù)的可視化功能。

（4）應(yīng)用程序易于集成到其它應(yīng)用程序之中，易于組成可視化集成計算系統(tǒng)。

1 盛振邦.船舶原理（下冊）［M］.上海交通大學出版社，2007：106～111.

2 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范（第3分冊）［M］.人民交通出版社，2001：117～118，139～140.

3 張遠雙.船舶螺旋槳螺距修正的參數(shù)化研究［J］.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院學報，2009（5）：27～30.