基于PRO/E 軟件的船用螺旋槳建模

汪 濤，張繼光

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003;2.高郵市交通運(yùn)輸管理局，江蘇高郵225000)

1 螺旋槳建模特點(diǎn)分析

螺旋槳由槳轂和若干徑向固定于槳轂上的槳葉所組成的推進(jìn)器，槳葉的葉面呈螺旋曲面形(既定螺距或變螺距)，葉片厚薄不均。由于槳葉幾何形狀的復(fù)雜性，在使用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的各分析結(jié)果和加工工藝時(shí)，其誤差往往較大，對(duì)實(shí)船的航速有決定性的影響，因此建立精細(xì)化的船用螺旋槳三維模型為實(shí)現(xiàn)螺旋槳細(xì)化分析和精加工提供基礎(chǔ)。

螺旋槳的槳轂是標(biāo)準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)體，其建模較簡(jiǎn)單。而槳葉是個(gè)復(fù)雜的曲面，其參數(shù)包括:每個(gè)剖面的半徑r，螺距P、縱傾角θ、伸張輪廓面上各型值點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的定位值和導(dǎo)邊、隨邊到中心線的距離。本建模方法主要依據(jù)型值表和其他參數(shù)來建模。

2 槳葉三維建模簡(jiǎn)介

根據(jù)某船B型螺旋槳舉例來介紹其三維模型的大致方法。表1為槳葉切面型值表。

表1 槳葉切面型值表mm

(1)根據(jù)表1槳葉切面型值表，可查出在每一個(gè)r(0.2R……1.0R(R為螺旋槳半徑))的參數(shù)下對(duì)應(yīng)的槳葉切面的最大厚度、導(dǎo)邊至最大厚度的距離、中心線至導(dǎo)邊和隨邊的距離、槳葉切面的寬度、從導(dǎo)邊起的距離、葉背坐標(biāo)、葉面坐標(biāo)，分別取若干個(gè)葉背、葉面坐標(biāo)點(diǎn)，將各坐標(biāo)點(diǎn)連接為葉背和葉面2條曲線，考慮各剖面的下螺距角，以及螺旋槳的縱傾角。

(2)繪制各切面半徑處的圓柱面，再分別將不同半徑處的切面曲線通過軟件的纏繞或者垂直曲面投影功能做到相應(yīng)的圓柱曲面上。

(3)利用邊界混合及合并等工具，將曲線形成曲面。

(4)將曲面實(shí)體化。

3 螺旋槳葉三維曲面建模過程

(1)建模前，以圖1(b)螺旋槳伸張輪廓圖的中心線為基準(zhǔn)，等距離偏移，與葉面線和葉背線相交得到若干交點(diǎn)。這些交點(diǎn)其實(shí)與槳葉切面型值表對(duì)應(yīng)，可得到各半徑下這些交點(diǎn)分別到中心線的距離。同時(shí)在圖中也可量得，槳葉縱傾角下個(gè)半徑處葉面線和葉背線到中心線偏移的距離。

(2)建立基準(zhǔn)平面、坐標(biāo)系及基準(zhǔn)軸，根據(jù)軟件的缺省基準(zhǔn)平面，創(chuàng)建一與系統(tǒng)自動(dòng)生成TOP基準(zhǔn)面平行的基準(zhǔn)平面DTMI。

(3)建立各剖面半徑處的拉伸圓柱面，基準(zhǔn)平面使用曲面拉伸的方式，以TOP基準(zhǔn)平面為繪圖平面，分別繪制以(0.2R，0.3R，…，0.95R ，1.0R)為半徑的圓柱面，并分別命名為拉伸2(代表0.2R)，拉伸3(代表0.3R)，以此類推。

圖1 螺旋槳圖(單位:mm)

(4)草繪各剖面半徑處切面曲線，如圖2所示。

創(chuàng)建與系統(tǒng)自動(dòng)生成right平面平行，距離等于各半徑的草繪平面。根據(jù)螺旋槳繪圖原理，先依據(jù)螺距，計(jì)算該半徑下的螺距角，做一條傾斜的中心線，角度為螺距角。因螺旋槳具有一定的縱傾角，各切面中心線至基準(zhǔn)中心的距離不一樣，這些都要在圖中表現(xiàn)出來。將葉面線和葉背線各交點(diǎn)到中心線的值，帶入草繪圖中，形成若干坐標(biāo)點(diǎn)，用曲線命令分別將各坐標(biāo)連接。需要注意，要根據(jù)CAD圖，分別形成葉面曲線和葉背曲線2根曲線，而不是將坐標(biāo)點(diǎn)連成1根，其中還需要完成槳葉最小半徑0.1R處切面曲線的繪制。由于大部分圖譜中只反映0.2R處的型值，假如只做0.2R，到后面實(shí)體的生成會(huì)發(fā)現(xiàn)槳轂和槳葉只有部分是相交的，而對(duì)于復(fù)雜的曲線和曲面，該軟件不能做到延伸，只能盡可能將最小半徑的切面曲線做出來。對(duì)于0.1R處的切面形狀需要用到其他的軟件或者工具進(jìn)行插值計(jì)算，這里不再敘述。

圖2 草繪剖面半徑處切面曲線

(5)通過包絡(luò)工具，分別將完成后的曲線纏繞到相應(yīng)切面處的拉伸曲面上，完成不同半徑處圓柱面上的纏繞曲線。利用曲線命令，將導(dǎo)邊和隨邊的關(guān)鍵點(diǎn)連接起來形成導(dǎo)邊和隨邊，利用Pro/E的邊界混合功能自下而上分別將葉面、葉背曲線形成曲面，用曲面修剪命令分別將最小半徑和最大半徑處的曲線修剪形成葉根和葉梢處的曲面。這樣該B型槳的外部曲面就由葉面、葉背、葉根和葉梢4個(gè)曲面組成。有的槳葉導(dǎo)邊和隨邊是有厚度的，做模型時(shí)就要考慮將導(dǎo)邊和隨邊也做成曲面。槳葉輪廓圖如圖3所示，圖3中序號(hào)1～11為各剖面半徑處的切面曲線。

4 槳葉實(shí)體化和陣列及螺旋槳的完成

使用軟件的實(shí)體化工具將曲面轉(zhuǎn)化為實(shí)體，再用陣列命令將實(shí)體化的槳葉陣列為5個(gè)槳葉。槳轂部分是旋轉(zhuǎn)體，只需在front平面根據(jù)圖1(a)中的槳轂尺寸草繪畫出半個(gè)槳轂圖形，再用旋轉(zhuǎn)命令形成實(shí)體，將多出的葉根修剪掉，最后倒圓角，建模完成。螺旋槳三維圖如圖4所示。

5 結(jié)語

本三維模型完全根據(jù)螺旋槳圖譜的設(shè)計(jì)原則及Pro/E強(qiáng)大的曲面功能，在建模過程中采用纏繞或投影的方式完全符合了螺旋槳槳葉曲面的成型特點(diǎn)及現(xiàn)有二維系列伸張輪廓展開圖。此方法建模直觀，便于修改。根據(jù)此建模方法，利用軟件的兼容性高等特點(diǎn)，可快速得到螺旋槳的三維實(shí)體模型，相比于經(jīng)驗(yàn)公式更準(zhǔn)確。對(duì)于后續(xù)建立三維螺旋槳圖庫(kù)、變螺距螺旋槳或者無圖譜的螺旋槳的設(shè)計(jì)及制作，以及相應(yīng)的仿真分析，對(duì)比各物理幾何參數(shù)都有很大的幫助。

圖3 槳葉輪廓圖

圖4 螺旋槳三維圖

［1］ 王國(guó)強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn)(修訂本)［M］.上海:交通大學(xué)出版社，1985.

［2］ 林清安.PROE多媒體教程高級(jí)篇［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.