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(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

在螺旋槳的實(shí)際建造中，通過二維圖設(shè)計(jì)出的螺旋槳最初往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，一方面是由于螺旋槳表面的粗糙度問題，但最主要的是二維圖譜設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一定程度的局部變形，從而影響螺旋槳的水動(dòng)力性能。這時(shí)需要通過修改槳葉尺寸和局部型值點(diǎn)，以及采用車床切削二次加工的辦法來進(jìn)行優(yōu)化。由于螺旋槳的外形極為復(fù)雜，給二次精加工帶來了一定的困難。為此，考慮在螺旋槳建造之前，運(yùn)用三維CAD軟件建立出三維模型，通過三維虛擬模型，一方面可以得到直觀的三維效果圖，直觀地展示設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念；另一方面，通過螺旋槳的三維模型，可以進(jìn)行螺旋槳的性能數(shù)值模擬，進(jìn)而得到設(shè)計(jì)槳的各個(gè)性能參數(shù)，以及這些水動(dòng)力性能參數(shù)與螺旋槳幾何外形尺寸之間的關(guān)系，最終得到推力和轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果及空泡校核等?；谶@些分析，可以直接通過調(diào)整幾何模型，對(duì)曲面模型進(jìn)行局部修改和光順處理，實(shí)現(xiàn)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)。

此外，在運(yùn)用二維投影輪廓逆向投影來進(jìn)行螺旋槳的三維建模過程中，通過CATIA曲面光順功能可以實(shí)現(xiàn)槳葉曲面G2連續(xù)，能很好地減小設(shè)計(jì)誤差，而且生成的CATIA三維模型跟CFD軟件有很好的兼容性，使得后期數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)簡單易行。

1 逆向曲面建模原理

螺旋槳的槳葉是一種變截面的雙曲度復(fù)雜曲面形體，如果不考慮槳葉厚度，可知螺旋槳槳葉的葉面是螺旋面的一部分，其中螺旋面的螺距也恰恰是設(shè)計(jì)槳的螺距。因此，如果知道螺旋槳的直徑和螺距，根據(jù)上述螺旋面成型原理，便可以得到槳葉所在的螺旋面，該曲面就是本文所提出的要進(jìn)行逆向投影的基曲面[1]，也是本文螺旋槳三維建模的基礎(chǔ)。

將螺旋槳槳葉與各個(gè)半徑處的圓柱面相交，即可得到槳葉各半徑處的截面曲線。因此，得到投影面后，通過螺旋面與各個(gè)圓柱面相交，得出各個(gè)半徑處槳葉截面的基線。再根據(jù)二維總圖中的槳葉在各個(gè)半徑處的槳葉厚度型值來繪制槳葉切面曲線，進(jìn)而得到槳葉截面，最后進(jìn)行曲面封閉得到槳葉實(shí)體。

1.1 建模軟件平臺(tái)(CATIA)

CATIA是法國達(dá)索公司開發(fā)的三維CAD軟件，包含70多個(gè)工作模塊，其中曲面設(shè)計(jì)模塊和創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊包含了螺旋線繪制，曲面填充、多截面曲線、空間曲線等分及曲面法線繪制等功能，具備復(fù)雜曲面造型的全部功能。結(jié)合本文提出的逆向曲面建模方法，該軟件的這些功能完全能滿足建模需求。同時(shí)作為一個(gè)高端設(shè)計(jì)軟件，又將設(shè)計(jì)和有限元及CFD結(jié)合在一起，建立的三維螺旋槳模型可以直接導(dǎo)入CFD軟件進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值分析，方便易行，給設(shè)計(jì)人員帶來了極大的方便。

1.2 影像逆向

螺旋槳二維總圖包括側(cè)視投影圖、正視投影輪廓圖和伸張輪廓圖，它們?cè)诙S空間中描述螺旋槳的幾何外形。本方法從二維總圖出發(fā)，運(yùn)用正視投影輪廓逆向投影解決槳葉的曲度問題，即在CATIA草圖中繪制二維投影圖，并建立螺旋面，再將投影輪廓逆向投影到螺旋面上。此時(shí)得到了沒有厚度的槳葉曲面，然后運(yùn)用伸張輪廓圖中的截面厚度解決槳葉的厚度問題，從而解決螺旋槳曲面的雙曲度問題。通過運(yùn)用二維投影生成三維模型即為影像逆向方法[2]?；谟跋衲嫦蛟?，采用該投影方法生成面向CFD計(jì)算的三維螺旋槳模型?；舅枷肴缦?。

結(jié)合螺旋槳曲面的幾何特征和CATIA模塊中強(qiáng)大的曲面造型功能，在二維圖形的基礎(chǔ)上根據(jù)螺旋槳的幾何參數(shù)(D,D/P，Ap/Ao等)，運(yùn)用螺旋面投影原理，得到槳葉實(shí)際輪廓，根據(jù)型值表繪制最大厚度線，在各個(gè)剖面處沿基準(zhǔn)線繪制最大厚度處至導(dǎo)邊和隨邊距離的20%、40%、60%、80%、100%處的厚度型值點(diǎn)，進(jìn)而繪制截面曲線，最后圍成三維槳葉模型。具體流程見圖1。

圖1 三維建模流程

2 螺旋槳逆向三維建模

2.1 螺旋槳二維投影輪廓圖

三維建模之前首先需要繪制二維圖，在繪制螺旋槳二維圖時(shí)，根據(jù)不同盤面比所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)航速，查圖譜計(jì)算，從而獲得不同盤面比狀態(tài)下的螺旋槳要素。即螺旋槳的直徑D、螺距P以及螺距比P/D，據(jù)此初步計(jì)算螺旋槳二維型值[3]。

通常在AutoCAD中根據(jù)圖譜設(shè)計(jì)方法得出的型值表繪制螺旋槳二維圖形。包括伸張輪廓，和投影輪廓(見圖2)，這是后期進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)。

2.2 螺旋面的建立

根據(jù)螺旋槳的成形原理，得到二維圖后需要建立螺旋面，見圖3。

圖2 螺旋槳二維圖

圖3 螺旋面

根據(jù)已經(jīng)得出槳的直徑D和螺距比P/D來確定螺旋面的形狀，首先繪制不同半徑大小的等螺距螺旋線，然后在螺旋線的端部封閉螺旋線，進(jìn)行曲線填充，這樣就得到了所需要的螺旋面。螺旋面的母線長必須大于螺旋槳的半徑。

2.3 槳葉外輪廓的繪制

螺旋面繪制完畢，根據(jù)螺旋面的軸線和外形來確定螺旋槳投影輪廓在三維模型的位置，投影輪廓與螺旋面的軸線相同，投影輪廓平面與軸線垂直，根據(jù)輪廓圖的型值來得到投影輪廓圖。螺旋面和投影輪廓建立后，將投影輪廓逆向投影到建立的螺旋面上[4]，得到槳葉的外輪廓。見圖4。

2.4 槳葉切面的繪制

外輪廓雖然真實(shí)表達(dá)了槳葉的曲面形狀，但沒有厚度，槳葉不同位置的厚度不同，因此需要基于該輪廓圖繪制切面曲線解決厚度問題。

2.4.1 繪制切面曲線基線

繪制槳葉切面曲線之前，以螺旋面軸線為中心軸，以0.2R、0.3R、…、1.0R、…、R(R為螺旋槳半徑)為半徑繪制不同半徑處的圓柱面，然后求得各個(gè)圓柱面與槳葉外輪廓曲面的交線，該交線即為各個(gè)切面曲線的基線，見圖5。

圖4 槳葉曲面投影

圖5 槳葉面交線

2.4.2 繪制最大厚度線

在基線上根據(jù)型值表中各個(gè)半徑處的最大厚度坐標(biāo)，分別在各個(gè)基線上繪制最大厚度點(diǎn)，順次連接各點(diǎn)，形成最大厚度線。

2.4.3 繪制葉背葉面曲線

槳葉在各個(gè)半徑處的切面曲線分別由葉背曲線和葉面曲線封閉而成，因此需要根據(jù)基線分別繪制葉背曲線和葉面曲線。

首先根據(jù)型值表將基線按著最大厚度到導(dǎo)邊距離和隨邊距離分別等分，得到等分點(diǎn)后，根據(jù)二維伸張輪廓圖的厚度坐標(biāo)，在各個(gè)等分點(diǎn)上分別繪制出葉背和葉面曲線的厚度點(diǎn)，順次連接各個(gè)厚度點(diǎn)，使其光順，便得到各個(gè)半徑處的切面曲線[5],見圖6。

2.5 槳葉外形的建立

得出槳葉切面曲線后，利用多截面建立曲面功能，以各個(gè)截面曲線為截面建立槳葉外形，對(duì)槳葉的導(dǎo)邊、隨邊和葉梢處進(jìn)行靈活封閉處理,得到槳葉封閉曲面后建立槳葉實(shí)體[6]。

2.6 建立整個(gè)三維模型

槳葉實(shí)體建立后，對(duì)槳葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制，得到整個(gè)槳葉實(shí)體部分，槳轂是一個(gè)圓錐形的回轉(zhuǎn)體，建立截面曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后即可得到槳轂。此時(shí)整個(gè)螺旋槳三維模型建立完成。

圖6 槳葉截面曲線

2.7 生成CFD網(wǎng)格模型

在CATIA平臺(tái)下建立的螺旋槳模型，通過igs或stp等模型文件格式可以很容易導(dǎo)入CFD前處理軟件(GAMBIT)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而進(jìn)行CFD數(shù)值分析。在導(dǎo)入的過程中，數(shù)據(jù)完整，槳葉曲面光順,見圖7。

圖7 螺旋槳CFD風(fēng)格

3 結(jié)論

該方法在利用螺旋槳二維圖的基礎(chǔ)上，充分利用CATIA軟件的曲面造型功能，包括建立螺旋面，曲面投影，曲線等分等功能，使其與螺旋槳曲面設(shè)計(jì)結(jié)合起來。而且CATIA的結(jié)構(gòu)樹與圖形元素相關(guān)的特點(diǎn)使得建立的模型可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)快速修改。這種方法摒棄了傳統(tǒng)的靠建立三維坐標(biāo)點(diǎn)的方法中的不便之處，同時(shí)CATIA跟Fluent等CFD軟件有很好的數(shù)據(jù)兼容性，提供了很多CFD軟件的模型接口，為模型后期的水動(dòng)力性能分析提供了極大的方便。但該方法需分別繪制各個(gè)截面處厚度點(diǎn)和截面曲線，使得前期準(zhǔn)備工作量較大，因此需要有針對(duì)性地應(yīng)用一些參數(shù)方法，使建模效率有所提高。

[1] 冉險(xiǎn)生，黃澤好，林 立.基于CATIA V5的ATV曲面逆向設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24(4)：54-58.

[2] 徐萬紅，張國忠.基于“草圖跟蹤”的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.25(1)：86-88.

[3] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

[4] 馬 偉,張海英，雷賢卿.CATIA V5 R16曲面造型及逆向設(shè)計(jì)[M].北京：科技出版社，2009.

[5] 陳艷鋒，吳新躍.螺旋槳槳葉計(jì)算機(jī)實(shí)體造型方法研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(4)：104-107.

[6] 楊嘉濤，師小娟.復(fù)雜曲面的計(jì)算機(jī)三維建模研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,35(2)：198-201.