螺旋槳葉片自動建模方法

龔京風(fēng)， 李瑞潔， 陳子昊， 王 晴

(1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430065； 2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064)

0 引 言

螺旋槳在船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不論是在螺旋槳的設(shè)計(jì)制造階段，還是在研究水動力、流噪聲、空泡特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，都需要建立螺旋槳葉片三維模型。然而，傳統(tǒng)三維手工建模方法對操作人員使用軟件的熟練度有一定要求，且需要投入大量時間和精力，建立模型的準(zhǔn)確性受人為因素影響。因此，提出螺旋槳自動建模方法，可有效克服手動建模操作繁瑣、工作量大、容易出錯等缺點(diǎn)，具有重要的工程實(shí)際意義。為了避免傳統(tǒng)螺旋槳葉片幾何建模方法中手工操作量大的缺點(diǎn)，劉勇杰等[1]提出一種基于CATIA平臺的三維建模方法。該方法利用 Excel 表格完成槳葉型值點(diǎn)的計(jì)算，采用VB.net語言編寫坐標(biāo)點(diǎn)批量導(dǎo)入程序，讀取保存在Excel里的型值點(diǎn)坐標(biāo)值數(shù)據(jù)，在CATIA中生成描述螺旋槳葉曲面的型值點(diǎn)。該方法需要在Excel表格中手動操作，對用戶操作熟練程度有一定要求，建模工作量仍然較大。吳利紅等[2]采用MATLAB語言編制槳葉型值點(diǎn)計(jì)算程序，將計(jì)算得到的型值點(diǎn)存入標(biāo)準(zhǔn)ProE格式文件，然后在ProE中手動依次導(dǎo)入每一層葉切面型值點(diǎn)，未完成槳葉輪廓線、曲面的自動生成，后續(xù)需手動建立槳葉模型且操作步驟繁多。王艷龍等[3]結(jié)合螺旋槳二維圖繪制方法和CATIA曲面逆向設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用螺旋槳二維投影輪廓建立螺旋槳三維模型，生成面向CFD的三維模型。該方法需要在AutoCAD根據(jù)圖譜設(shè)計(jì)方法得出的型值表中繪制螺旋槳二維圖形，且在CATIA軟件中的操作較復(fù)雜。謝云平等[4]采用船舶設(shè)計(jì)軟件平臺NAPA自帶的NAPA Basic語言編制宏程序?qū)崿F(xiàn)槳葉型值點(diǎn)的自動計(jì)算。安邦等[5]利用MATLAB軟件將螺旋槳的基本參數(shù)及不同半徑處葉切面二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間笛卡爾坐標(biāo)，然后將其導(dǎo)入SolidWorks建立三維幾何模型。

為實(shí)現(xiàn)螺旋槳葉片自動化建模，依據(jù)槳葉二維圖制圖原理和幾何特征推導(dǎo)槳葉型值點(diǎn)計(jì)算公式，將計(jì)算得到的型值點(diǎn)存入帶宏命令的Excel表格，在CATIA中讀取該表格，形成槳葉曲面。采用Python語言，將上述流程程序化，形成操作簡單、界面簡潔的螺旋槳葉片曲面自動建模軟件。軟件內(nèi)置智能化提示，為用戶正確操作提供指導(dǎo)。

1 建模原理

1.1 型值點(diǎn)的計(jì)算

基于螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)可以得出葉切面型值點(diǎn)的二維坐標(biāo)。根據(jù)不同半徑處的弦長、拱度、厚度等輪廓參數(shù)，計(jì)算得到型值點(diǎn)與導(dǎo)邊弦長方向的距離X、葉背型值點(diǎn)與弦長的垂直距離Y1、葉面型值點(diǎn)與弦長的垂直距離Y2。建立坐標(biāo)系(見圖1)：以螺旋槳軸線為z軸，指向船尾方向?yàn)檎?；以弦長為y軸，指向隨邊方向?yàn)檎?；坐?biāo)原點(diǎn)位于弦長C的中點(diǎn)。二維槳葉型值點(diǎn)坐標(biāo)為

式中：y0為葉片型線y坐標(biāo)；z0背為葉片型線葉背z坐標(biāo)；z0面為葉片型線葉面z坐標(biāo)。

圖1 二維葉切面示例

依據(jù)槳葉二維圖制圖原理和幾何特征推導(dǎo)三維槳葉型值點(diǎn)計(jì)算公式[6]。將初始二維螺旋槳型值點(diǎn)沿y軸移動側(cè)斜Cs距離、繞x軸逆時針旋轉(zhuǎn)螺距角β、沿z軸移動縱傾Ra距離，其中側(cè)斜Cs為槳葉投影在垂直于槳軸的平面上時，不對稱的投影輪廓槳葉的葉梢與參考線間的距離，縱傾Ra為母線上的點(diǎn)到垂直于軸線且通過母線與軸線交點(diǎn)的平面的距離。最后向相應(yīng)半徑為r的圓柱面投影得到螺旋槳三維型值點(diǎn)坐標(biāo)：

式中：x背為葉背x軸坐標(biāo)值；x面為葉面x軸坐標(biāo)值；y背為葉背y軸坐標(biāo)值；y面為葉面y軸坐標(biāo)值；z背為葉背z軸坐標(biāo)值；z面為葉面z軸坐標(biāo)值。

1.2 型值點(diǎn)的計(jì)算

利用樣條曲線依次連接槳葉型值點(diǎn)，生成葉切面輪廓曲線、槳葉隨邊曲線和槳葉導(dǎo)邊曲線。用蒙皮法填充封閉曲線，生成曲面。利用結(jié)合命令使得到的曲面組合為一個完整光滑、無縫隙的槳葉曲面模型，最后通過封閉曲面命令得到槳葉幾何模型[7-8]。

2 螺旋槳葉片自動建模的實(shí)現(xiàn)

采用Python語言調(diào)用Excel和CATIA控制建模流程，實(shí)現(xiàn)螺旋槳葉建模的自動化，流程如圖2所示。

圖2 槳葉自動建模流程圖

2.1 槳葉型值點(diǎn)自動計(jì)算與存儲

根據(jù)推導(dǎo)的型值點(diǎn)計(jì)算公式編寫程序語言計(jì)算坐標(biāo)，用循環(huán)語句將坐標(biāo)點(diǎn)按順序存入帶宏命令的Excel表格GSD.xls，計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 型值點(diǎn)的計(jì)算及存儲

對于不同的槳葉，葉切面?zhèn)€數(shù)、切面型值點(diǎn)個數(shù)不同。通過分析用戶提供的二維參數(shù)表，自動獲取葉切面?zhèn)€數(shù)、切面型值點(diǎn)個數(shù)，建立的建模軟件具有良好的通用性。根據(jù)式(2)計(jì)算三維型值點(diǎn)，程序代碼如下：

xB(i,:)=rcos(((X-0.5C+Cs)cosβ-Y1sinβ)/r);

yB(i,:)=rsin(((X-0.5C+Cs)cosβ-Y1sinβ)/r);

zB(i,:)=(X-0.5C+Cs)sinβ+Y1cosβ+Ra;

xC(i,:)=rcos(((X-0.5C+Cs)cosβ-Y2sinβ)/r);

yC(i,:)=rsin(((X-0.5C+Cs)cosβ-Y2sinβ)/r);

zC(i,:)=(X-0.5C+Cs)sinβ+Y2cosβ+Ra。

計(jì)算得到的型值點(diǎn)存入Excel表GSD.xls，程序代碼如下：

xlswrite(exportfile,{‘StartCurve’},‘Feuil1’,strcat(‘A’,num2str(k+2)));

xlswrite(exportfile,B_CT,‘Feuil1’,strcat(‘A’,num2str(k+3)));

xlswrite(exportfile,C_CT,‘Feuil1’,strcat(‘A’,num2str(k+3+dian)));

xlswrite(exportfile,{‘EndCurve’},‘Feuil1’,strcat(‘A’,num2str(k+2+2dian)));

GSD表原有宏命令可以實(shí)現(xiàn)將點(diǎn)導(dǎo)入到打開的CATIA文件，輸入“1”“2”“3”可進(jìn)行不同形式的導(dǎo)入型值點(diǎn)操作：“1”代表導(dǎo)入點(diǎn)；“2”代表導(dǎo)入點(diǎn)之后按照導(dǎo)入順序連成線；“3”代表將導(dǎo)入點(diǎn)連成線之后充成曲面。為了降低用戶的工作量，修改該宏命令，從而默認(rèn)建立槳葉曲面。

2.2 槳葉自動建模的實(shí)現(xiàn)

采用Python語言編寫主程序，實(shí)現(xiàn)Excel與CATIA的交互。在Python主程序中啟用Excel、CATIA組件，打開Model.CATPart文件和GSD.xls文件，并運(yùn)行其內(nèi)部宏命令Main，然后關(guān)閉GSD.xls文件。程序代碼如下：

import win32com.client

xls=win32com.client.Dispatch(“Excel.Application”)

catia=win32com.client.Dispatch(“Catia.Application”)

catia.visible=1

catia.Documents.Open(catpath)

GSD = xls.Workbooks.Open(gsdpath)

xls.Application.Run(“GSD.xls!Feuil1.Main”)

xls.Workbooks(1).Close()

xls.Application.Quit

catia.Application.Quit

2.3 軟件操作界面

軟件界面包括操作界面和實(shí)時運(yùn)行提示界面兩部分，如圖4和圖5所示。操作界面可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入與建模結(jié)果文件的導(dǎo)出，具體操作步驟如下：

(1) 單擊“打開文件”，從彈出的目錄框中找到并選擇葉片原始數(shù)據(jù)；

(2) 單擊“生成槳葉型值點(diǎn)”，開始計(jì)算型值點(diǎn)并將結(jié)果儲存到GSD表格中；

(3) 單擊“另存為”，根據(jù)需要將帶有型值點(diǎn)數(shù)據(jù)的GSD表格儲存到指定位置；

(4) 單擊“槳葉型值點(diǎn)導(dǎo)入CATIA”，可在CATIA中將模型儲存到指定位置。

圖4 操作界面

實(shí)時運(yùn)行提示界面顯示程序當(dāng)前運(yùn)行的情況及操作指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)軟件的友好交互。

圖5 實(shí)時運(yùn)行提示界面

3 自動建模軟件的應(yīng)用

基于波茨坦螺旋槳試驗(yàn)案例(Potsdam Propeller Test Case， PPTC)槳葉二維參數(shù)，采用自動建模軟件得到如圖6所示的槳葉曲面模型。在CATIA中建立的槳葉實(shí)體模型與實(shí)際PPTC槳葉三維模型一致。所有結(jié)果均是在Intel Core I7 CPU，主頻為2.5 GHz，內(nèi)存為8 GB，顯卡為NVIDIA GeForce 940MX的計(jì)算機(jī)上完成，建模耗時約30 s。

圖6 PPTC槳葉曲面模型

4 結(jié) 論

提出一種利用Python語言，綜合Excel、CATIA軟件的螺旋槳葉片自動建模方法，可根據(jù)不同的螺旋槳參數(shù)自動建立具有一定準(zhǔn)確性的槳葉曲面模型?；诖俗詣咏７椒ǎ肞ython語言編寫擁有運(yùn)算速度快、界面簡潔、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)的槳葉自動建模軟件。建立的槳葉自動建模軟件能夠有效降低對技術(shù)人員的要求，減少工作量，降低人為操作誤差，提高準(zhǔn)確性，可為螺旋槳設(shè)計(jì)及性能研究等方面提供技術(shù)支撐。