电力论文-基于ProE的船用螺旋桨三维建模研究

基于Pro/E的船用螺旋桨三维建模研究摘要：船用螺旋桨作为特殊的曲面零件，其桨叶曲面造型复杂。为了高效的得到螺旋桨模型，通过图谱设计方法，推导出螺旋桨桨叶切面坐标转换公式，应用Excel、Pro/E软件分别进行数值计算、三维实体化造型。实现了螺旋桨的快速精确造型，为船用螺旋桨参数化设计提供了另一种参考。关键词：螺旋桨；图谱设计；Excel；Pro/E中图分类号：TH164文献标识码：AMarinepropeller3DmodelingresearchbasedonPro/EFUDa-peng，ZHAIYong（SchoolofMechanicalengineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，China）Abstract：Marinepropeller,asaspecialcurvedsurfacepart,thebladesurfacemodelingcomplex.Inordertogetthepropellermodelefficiently,wethroughthegraphdesignmethods,deducethepropellerplanecoordinatetransformationformula,applytheExcel,Pro/Esoftwarerespectivelythroughnumericalcalculation,3Dmodelingofmaterialization.Realizethefastaccuratemodelingofthepropeller,parametricdesignforMarinepropellerprovidesanotherreference.Keywords：Propeller；Graphdesign；Excel；Pro/E1引言螺旋桨是船舶推进系统的重要部件，其性能的优劣直接影响着整船的性能[1]，如：航行速度、机动性和噪声等。故世界各国众多的学者在不断的研究更高性能的船用螺旋桨。目前螺旋桨桨叶曲面尚无函数进行确切描述，所以研究其建模有很大的实用意义。为了准确、快速的得到螺旋桨桨叶切面型值点空间笛卡尔坐标，同时高精度拟合出叶片曲面，本文利用Excel实现螺旋桨型值点数据的坐标变换计算，依据Pro/E软件的三维建模能力，对螺旋桨离散的数据点进行曲线、曲面拟合，实体化后生成三维模型。2螺旋桨型面特征分析以MAU5-66型螺旋桨为例，确定其设计参数，通过二维视图对螺旋桨型面进行几何特征分析。2.1螺旋桨桨叶切面几何关系以螺旋桨的轮毂截面圆为圆心，用不同半径的同心圆柱面与桨叶相截，将所截曲面展开，得到一系列的投影切面，并将切面展开，如图1所示。图1螺旋桨叶切面Fig.1Bladesection2.2螺旋桨桨叶外形轮廓用螺旋桨的外形轮廓图具体表达桨叶各部分的几何关系，如图2所示。图2螺旋桨的几何关系Fig.2Propellergeometryrelationship其中OM为叶面参考线，α为纵倾角，Zs是纵斜值，η为侧斜角。纵斜角和侧斜角都不宜过大，否则会增大桨叶的扭曲变形，合理的角度设置，利于减少螺旋桨诱导船体振动[2]。3螺旋桨曲面型值点空间坐标值计算3.1螺旋桨空间坐标系的建立以螺旋桨轮毂中心轴线为Z轴，正方向指向桨叶压力面。桨叶参考线OM与Z轴的交点为坐标原点O。OM在过原点与Z轴垂直的平面上的投影为Y轴，由右手定则确定X轴。从而建立起三维坐标系{O-XYZ}，如图3所示。图3螺旋桨空间坐标系Fig.3Propellerspacecoordinatesystem3.2螺旋桨空间坐标转换结合螺旋桨二维切面展开图坐标和空间坐标，推导出螺旋桨二维型值点坐标到三维笛卡尔坐标的转换公式：cossintancossinyprZrYrX其中，r为切面半径；lsp为切面曲线上一点在切面展开图上的横坐标，s为切面展开图上导边至切面曲线上一点沿P轴的距离，l为基准线到导边的距离；)2arctan(rH为螺距角，H为螺距；ryp)sincos(为切面曲线上一点在XOY面上的投影与坐标原点O的连线与Y轴的夹角。y为叶面上一点在切面展开图中的纵坐标。依据所建立的坐标系，将螺旋桨设计参数及坐标转换公式导入Excel，运用其本身的数值计算能力，计算出三维型值点坐标值。4基于Pro/E的螺旋桨实体造型及分析4.1基于Pro/E的螺旋桨造型将Excel中生成的螺旋桨叶片的空间坐标值导入到记事本中，做适当修改，保存为Pro/E可以识别的“.ibl”格式。更改后的数据坐标格式如下(图4)：图4螺旋桨数据Fig.4Propellerdata其中，螺旋桨数值度量单位为m，OpenArclength为Pro/E中的关键词，Begincurve!后面的3列数字分别代表该点的X、Y、Z坐标值。打开Pro/E，通过“插入—模型基准—点—偏移坐标系”导入螺旋桨三维坐标值，得到坐标转换后的离散点，如图5。选择“曲线—通过点—样条—单个点”，依次连接各截面型值点，形成闭合的截面曲线，如图6。图5螺旋桨离散点图6桨叶曲线拟合图Fig.5PropellerdiscretepointsFig.6Bladecurvefitting利用Pro/E中边界混合功能，依次形成叶面曲面和叶背曲面。已知的桨叶数据是从0.2R处开始到0.95R结束的，使得造型时螺旋桨桨叶与轮毂无法相交，且叶梢部分缺失，上下叶面无法闭合。为了获得完整的螺旋桨桨叶曲面，利用Pro/E中曲面“延伸”命令，按照已有曲面形成趋势延伸出所需部分的曲面。然后通过合并工具将叶面曲面和叶背曲面合并成一个曲面，如图7所示。图7螺旋桨叶片图8螺旋桨Fig.7PropellerbladeFig.8Propeller将叶根处的截面进行闭合，将此截面与螺旋桨桨叶上下表面进行合并，然后进行实体化命令，得到一个实体状态的叶面[3-4]。通过拉抻命令做出轮毂，并通过阵列命令，得到五个桨叶，完成初步建模（图8）。为使所建模型更符合实际需求，再次对关键部位进行特别处理[5-6]。（1）加厚叶梢。螺旋桨建模时叶梢部位厚度较小，不符合实际的强度需要，因此人为增加适当厚度。（2）随边加厚。螺旋桨随边作圆角过渡，同时进行加厚处理，以抗谐鸣发生，避免螺旋桨共振频率，从而减少诱导船体振动。（3）叶根处圆角过渡。为减少应力集中，叶根处作圆角过渡，倒圆半径沿弦向方向不小于3/4当地厚度[7]。4.2螺旋桨桨叶光顺分析以“反射”作为检验螺旋桨桨叶光顺的条件[8]，通过“分析—几何—反射”，选择要分析的面，完成光顺分析，如图9。图9桨叶光顺分析Fig.9Bladefairinganalysis从图3.3中可以看到，黑色斑马线光顺、连续，无明显凸起或凹陷，表明该螺旋桨桨叶光顺性好。5结论本文采用Excel进行螺旋桨三维坐标转换计算，实现了螺旋桨型值点及轮廓数据的快速读取和转换；基于NURBS曲线、曲面原理利用Pro/E软件快速准确的生成了螺旋桨模型；在此模型的基础上，对螺旋桨一些关键部位进行优化处理，从而实现了螺旋桨模型的优化造型，为螺旋桨的设计与改进提供了便利。参考文献：[1]王国强，盛振邦.船舶推进[M]上海:上海交通大学出版社，1995.[2]王国强，董世汤.船舶螺旋桨理论与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程人学出版社，2007.[3]付大鹏，魏圣可.基于离心泵半开式叶轮的五轴数控加工技术[J].东北电力大学学报，2013,33（3）:23—26.[4]张海波，黎甜，白贺.基于CimatronE的离心泵蜗壳数控加工技术研究[J].东北电力大学学报,2013,33（3）:1—4.[5]程东，朱新河，邓金文.基于UG/Grip的船用螺旋桨三维建模关键技术[J].大连海事大学学报，2009,35(4):121一123.[6]张磊，吴小平，刘洋浩.船用螺旋桨三维建模方法研究[J].船舶与海洋工程，2014,2（3）40—42.[7]VeritasB.BVRulesfortheClassificationofSteelShips[S].2011.PtC,Ch1,Sec8.[8]申毅莉.船用螺旋桨桨叶建模分析研究[J].组合机床与自动化加工技术，2013（4）113—117.