船用螺旋槳的參數(shù)化建模方法

0 引言

螺旋槳的設(shè)計(jì)是整個(gè)船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，圖譜設(shè)計(jì)法是目前應(yīng)用廣泛的螺旋槳設(shè)計(jì)方法。為滿足設(shè)計(jì)中不斷改進(jìn)，制造中一次成型的需求，三維螺旋槳建模技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。螺旋槳的槳葉是一個(gè)復(fù)雜的空間曲面，傳統(tǒng)的螺旋槳三維建模方法需要借助MATLAB等專業(yè)編程軟件先計(jì)算槳葉葉面特征點(diǎn)的實(shí)際空間笛卡爾坐標(biāo)，再利用這些坐標(biāo)參考點(diǎn)進(jìn)行三維建模

。本文以AU型螺旋槳為例，分析了螺旋槳結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和螺旋槳葉剖面變換方式，建立了基于螺旋槳幾何特征的參數(shù)化三維模型，實(shí)現(xiàn)了螺旋槳快速建模。參照該方法可實(shí)現(xiàn)多種螺旋槳圖譜的參數(shù)化建模?；诼菪龢獛缀翁卣鞯娜S建模，無需復(fù)雜的空間坐標(biāo)計(jì)算，更易進(jìn)行模型的優(yōu)化，能夠更加直觀便捷的進(jìn)行螺旋槳的批量化、化系列化建模，大量簡化螺旋槳的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。

1 螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)概述

螺旋槳主要可分為輪轂和葉片兩個(gè)部分，槳葉數(shù)量一般在3-6片之間。螺旋槳的建模其主要難點(diǎn)在螺旋槳葉片曲面的生成。一般來說表示螺旋槳幾何特征的參數(shù)主要有：螺旋槳直徑D、螺距P、葉數(shù)Z、后傾角α、盤面比a

等。另外螺旋槳的圖紙中還包括：葉片各剖面尺寸表、各剖面導(dǎo)邊隨邊最大厚度處與母線的距離、側(cè)視圖(a)、投射輪廓圖(b)、伸張輪廓圖(c)等葉片的詳細(xì)參數(shù)信息

。用以上信息共同來表示螺旋槳的幾何形狀(如圖1.1所示)。實(shí)際應(yīng)用過程中二維平面的圖紙很難直觀的反應(yīng)螺旋槳的幾何形狀，導(dǎo)致在對(duì)螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)或校核計(jì)算時(shí)耗時(shí)較長。若能夠直接根據(jù)給定參數(shù)生成三維模型，并用三維軟件來進(jìn)行螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算、葉片形狀優(yōu)化等工作，則可以大大提高工作效率。

AU型螺旋槳是日本運(yùn)輸技術(shù)研究所發(fā)展的螺旋槳系列，通常包含AU型、MAU型、AUw型和MAUw型。本文中以AU型螺旋槳為例進(jìn)行參數(shù)化建模。主要參考AU螺旋槳槳葉輪廓尺寸表和AU型螺旋槳的葉切面尺寸表，示例見表1.1、1.2。螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉邊緣在前面者稱作導(dǎo)邊，另一邊稱為隨邊，母線有稱為槳葉參考線或葉面參考線，作為葉剖面的位置基準(zhǔn)，如圖1.2所示。

1.2 葉剖面的幾何特征

螺旋槳的槳葉主要特征可分為母線、導(dǎo)邊、隨邊、葉剖面、螺距分布(如圖1.2所示)。單一槳葉的葉剖面的原始位置基準(zhǔn)點(diǎn)是螺旋槳母線與各槳葉半徑下的圓柱面交點(diǎn)，過交點(diǎn)與與槳葉各半徑下的圓柱面相切的平面為基準(zhǔn)平面(如圖1.3所示)。

槳葉各半徑處葉剖面的形狀由槳葉輪廓尺寸表和葉切面尺寸表確定，以AU螺旋槳為例，其尺寸關(guān)系如圖1.4所示，整個(gè)葉剖面最大寬度d=2.26D·a

/Z(直徑D、葉數(shù)Z、盤面比a

)，根據(jù)槳葉輪廓尺寸表可以得出各半徑處的葉寬X

和葉厚Y

，再根據(jù)葉切面尺寸表可確定葉剖面特征點(diǎn)的坐標(biāo)，連接各特征點(diǎn)可得螺旋槳葉剖面，連接各半徑下的葉剖面即可得到螺旋槳的伸張輪廓圖?？梢娙~剖面是由直徑D、葉數(shù)Z、盤面比a

這三個(gè)參數(shù)決定。

1.3 伸張輪廓到實(shí)際輪廓的變換

在長期運(yùn)行中，10kV 配電網(wǎng)的供電電壓的大小與供電線路的損耗成反比。對(duì)此，有關(guān)供電企業(yè)應(yīng)給予足夠的重視，在不斷加大電力負(fù)荷的同時(shí)，對(duì)于一些供電電壓較低的城鄉(xiāng)地區(qū)，應(yīng)逐步推進(jìn) 110kV、220kV 配電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，或在原有低壓電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，陸續(xù)淘汰、拆除與國際標(biāo)準(zhǔn)不符的電壓網(wǎng)絡(luò)，盡可能的避免變電容量存有重復(fù)，以簡化電壓等級(jí)的方式來降低線路損耗。

第一步：葉剖面曲線沿著螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸向后平移距離L；

7)利用Creo的“邊界混合”功能建立曲面，對(duì)所形成的的封閉曲面進(jìn)行“延伸”“合并”操作；

第二步：將葉剖面曲線旋轉(zhuǎn)角度θ，該角度為螺旋槳半徑r處的螺距角；

營業(yè)員勉強(qiáng)地笑著，“沒事，有點(diǎn)低血糖，頭有點(diǎn)暈。小姐喜歡哪套？”總共試穿了四套，顏曉晨最喜歡第三套，而且正好是特價(jià)品，打四折，

3)利用Creo的“選擇性粘貼-對(duì)副本應(yīng)用移動(dòng)/變換”功能對(duì)葉剖面曲線進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)；

第三步：將旋轉(zhuǎn)后的葉剖面曲線投影到半徑為r的圓柱曲面，投影后曲線為螺旋實(shí)際輪廓線。螺旋槳曲面實(shí)際上是由多個(gè)轉(zhuǎn)換后的葉剖面曲線連接而成，如如圖1.6所示。

2 基于幾何特征的螺旋槳三維模型建立

為了能夠?qū)⒙菪龢娜S模型參數(shù)化，模型的建立需要跟螺旋槳的幾何特征相互關(guān)聯(lián)，不能直接使用螺旋槳曲面的實(shí)際坐標(biāo)來生成螺旋槳的三維模型，應(yīng)根據(jù)螺旋槳的建立螺旋槳的槳葉輪廓尺寸表和葉切面尺寸表建立標(biāo)準(zhǔn)的葉剖面曲線，再將葉剖面曲線根據(jù)螺旋槳的幾何特征從伸張輪廓變換到實(shí)際輪廓，最后生成實(shí)際螺旋槳的三維模型。以AU螺旋槳為例，Creo制作螺旋槳曲面基本步驟如下：

1)建立各半徑處的基準(zhǔn)面與基準(zhǔn)線、包含圓柱曲面、基準(zhǔn)平面、母線(軸線)；

注重載體創(chuàng)新，營造食品藥品安全監(jiān)管共治新環(huán)境。投入700余萬元完成了基層站所規(guī)范化建設(shè)，投入230余萬元建設(shè)社區(qū)食品藥品安全工作室、工作角。全面開展誠信經(jīng)營示范建設(shè)，先后建設(shè)了7條食品藥品安全示范街，百家食品藥品安全示范店。深入開展多種形式的科普宣教，形成了多方共建、共治共管的濃厚氛圍。積極建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”監(jiān)管載體，建成了市場監(jiān)管綜合業(yè)戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)上辦公、信息實(shí)時(shí)共享。食品藥品安全陣地不斷延伸拓展，對(duì)食品藥品安全管控能力和影響能力明顯增強(qiáng)。

2)在基準(zhǔn)平面建立葉剖面特特征點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))；通過草繪繪制葉剖面曲線；

6)連接實(shí)際葉剖面曲線的端點(diǎn)，生成輪廓曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜舯阌谌~片曲面建立；

在多種機(jī)制作用下，數(shù)學(xué)益智游戲“菜單”初步成型。每一學(xué)段數(shù)學(xué)益智游戲校本課程的設(shè)計(jì)板塊主要包括：游戲準(zhǔn)備—游戲規(guī)則—游戲?qū)嵤螒蛟u(píng)價(jià)。其中，游戲準(zhǔn)備包括游戲所需學(xué)具的介紹或游戲背景知識(shí)的簡介；游戲規(guī)則是游戲的方法說明；游戲?qū)嵤﹦t為具體的游戲演示；游戲評(píng)價(jià)注重學(xué)生在游戲中的體驗(yàn)和感悟。

4)利用Creo的“包絡(luò)”功能將平移旋轉(zhuǎn)后的曲線投影到圓柱曲面；

5)重復(fù)1-4步，得到各半徑處的實(shí)際葉剖面曲線，如圖2.1所示；

從螺旋槳的伸張輪廓至螺旋槳的實(shí)際輪廓牽扯到系列的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算較為復(fù)雜

。但從幾何變換的角度可將葉剖面的變換分解為三個(gè)步驟(如圖1.5所示)：

但很顯然，由于間接侵權(quán)制度已經(jīng)被廣泛接受，如果未經(jīng)專利權(quán)人許可而提供這些產(chǎn)品，往往會(huì)被認(rèn)定為侵權(quán)，因此專利權(quán)人的獨(dú)占權(quán)利范圍實(shí)際已經(jīng)及于這些產(chǎn)品。這樣，當(dāng)專利權(quán)人同意而售出這些產(chǎn)品時(shí)，與其同意售出“專利產(chǎn)品”、“依據(jù)專利方法直接獲得的產(chǎn)品”沒有什么不同，專利權(quán)人已經(jīng)可以從中獲得利益。

L=r·tan α，α為后傾角，r為圓柱面半徑

8)利用Creo的“實(shí)體化”功能得到一個(gè)完整葉片三維模型，如圖2.2所示；

9)根據(jù)螺旋槳葉數(shù)Z，對(duì)葉片進(jìn)行陣列操作，即可得到螺旋槳葉片三維模型；

10)利用Creo的“旋轉(zhuǎn)”功能繪制輪轂，結(jié)果如圖2.3所示，得到螺旋槳三維模型。

螺旋槳輪轂無標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可在模型中建立一個(gè)建議輪轂，后續(xù)根據(jù)具體需求調(diào)整輪轂的具體尺寸。

3 螺旋槳模型的參數(shù)化

綜上所述，AU槳其葉片主要參數(shù)僅有5個(gè)，分別為螺旋槳直徑D、螺距P、葉數(shù)Z、后傾角α、盤面比a

，螺旋槳葉片的實(shí)際形狀就是根據(jù)槳葉輪廓尺寸表和葉切面尺寸表結(jié)合上述五個(gè)主要參數(shù)生成。其中直徑D、葉數(shù)Z、盤面比a

決定了葉剖面形狀參數(shù)，直徑D、螺距P、后傾角α決定了葉片幾何變換參數(shù)。因此在進(jìn)行螺旋槳三維模型參數(shù)化建模過程中，主要對(duì)兩個(gè)方面進(jìn)行參數(shù)化，一是在葉剖面草繪視圖中對(duì)葉剖面特征點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，二是對(duì)葉剖面進(jìn)行幾何變換的特征命令進(jìn)行參數(shù)化。參數(shù)化過程中主要數(shù)據(jù)關(guān)系如表3.1所示。參數(shù)化模型后可通過修改直徑D、螺距P、葉數(shù)Z、后傾角α、盤面比a

這五個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)螺旋槳三維模型的快速生成。

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4 結(jié)論

綜上所述，利用參數(shù)化建模的思想，結(jié)合螺旋槳的幾何特征，可以利用Creo的建模功能和定義尺寸“關(guān)系”功能，實(shí)現(xiàn)僅輸入螺旋槳的主要特征參數(shù)就可以自動(dòng)生成螺旋槳三維模型。該方法可以大大加快螺旋槳的建模效率，方便我們隊(duì)螺旋槳的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的快速計(jì)算、能夠提高螺旋槳的改進(jìn)設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)利用Creo的“族表”功能可以像建立標(biāo)準(zhǔn)零件庫一樣，建立一個(gè)螺旋槳三維模型數(shù)據(jù)庫，提高三維模型利用率。

該文章中僅討論基于AU螺旋槳的三維建模方法，其模型的建立仍有較多可改進(jìn)的地方，例如：通過增加一個(gè)‘左旋’‘右旋’變量，用來控制螺旋槳葉剖面旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)左旋槳和右旋槳的生成。另外螺旋槳的輪轂?zāi)壳皹?biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化模型，可根據(jù)實(shí)際工作中的需求及經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行輪轂的自定義參數(shù)關(guān)系。同時(shí)通過進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)參數(shù)“關(guān)系”的定義可考慮將AU、MAU、AUw多種相近的螺旋槳集成到一個(gè)模型中。此外，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳，可考慮利用Creo的導(dǎo)入坐標(biāo)功能，實(shí)現(xiàn)部分參數(shù)化建模，導(dǎo)入的坐標(biāo)點(diǎn)可以是葉剖面伸張輪廓特征點(diǎn)，其幾何變換仍可以通過Creo的命令來實(shí)現(xiàn)，依然能夠大大簡化三維建模難度，提高工作效率。

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