螺旋桨强度计算的参数化设计

张远双

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

螺旋桨桨叶为扭曲、变截面悬臂梁，在工作时主要受轴向力、周向力、离心力和偶然作用力等外力作用，产生弯曲、扭转和拉伸变形。为确保船舶安全航行，螺旋桨必须具有足够的强度。为此，在船舶设计时必须核校螺旋桨的强度，并确定桨叶厚度的径向分布。

根据中国船级社2001年颁发的《钢质海船入级与建造规范》（以下简称《规范》）进行螺旋桨的强度计算，数据处理量较大，过程繁琐。本文采用参数化方法，用AutoCAD VBA编写相关的应用程序，通过程序运行的方式，可以得到相当完美的强度计算结果，从而大大提高工作效率，同时程序具备较好的通用性，易于集成到其它应用程序之中。

1 程序设计的要求和思路

程序设计的目的：通过程序运行的方式，自动完成螺旋桨的强度校核和桨叶厚度的径向分布。参数化强度计算主要分为五大步骤：

（1）分析得出强度计算所需的螺旋桨主要参数。

（2）强度计算初始化数据的计算和分析。

（3）螺旋桨校核切面的选取以及其《规范》要求的最小厚度的参数化计算。

（4）螺旋桨桨叶厚度的径向分布。

（5）应用程序菜单、工具栏的设计和宏的自动加载等。

2 程序设计的主要步骤

2.1 螺旋桨参数分析和数据输入窗体的设计

参数化强度计算涉及到螺旋桨的主要参数［1］为：螺旋桨的类型、桨叶数、桨直径、螺距比、盘面比、转速、材料系数、材料密度和主机功率等。在分析参数的基础上，设计数据输入窗体（如图1所示）。

图1 数据输入窗体

2.2 程序主模块的设计

在AutoCAD中，打开【VBA管理器】对话框，进入VBA集成开发环境，创建一个新的工程，同时根据需要创建模块和窗体（如图2所示）、声明表示螺旋桨参数等的有关模块级变量，在各模块中创建若干过程，并保存在适当的位置。

工程主模块的主过程部分代码如下：

Public Sub螺距修正主过程（）

……

图2 工程结构

Call初始化计算模块.基本参数过程

Call功率系数计算模块.功率系数计算过程

Call转速系数计算模块.转速系数计算过程

Call规范要求的最小厚度计算模块.规范要求的最小厚度计算过程

Call桨叶厚度径向分布模块.桨叶厚度径向分布过程

Call计算结果输出模块.计算结果输出过程

……

End Sub

2.3 初始化计算模块的设计

程序初始化模块的主要功能是提取和计算强度计算所必需的数据或参数，主要包括如下4个过程：

（1）基本参数过程：根据基本参数窗体提取螺旋桨的基本参数值。

（2）桨叶不同半径处K值系数过程：根据《规范》规定，计算和处理不同半径处的系数K1至K8。

（3）桨叶厚度计算过程：根据螺旋桨桨叶轮廓尺寸表［1］，计算标准桨叶不同半径处的切面厚度。

（4）叶片弦长计算过程：根据螺旋桨桨叶轮廓尺寸表，计算标准桨叶不同半径处的切面弦长。

2.4 强度校核相关模块的设计

《规范》规定［2］：螺旋桨桨叶厚度t（固定螺距螺旋桨为0.25R和0.6R剖面处，可调螺距螺旋桨为0.35R和0.6R剖面处）应不小于按下式计算所得之值

式中：Y为功率系数；K为材料系数；X为转速系数。

2.4.1 功率系数计算模块的设计

《规范》规定功率系数Y可按下式求得：

功率系数计算模块主过程的部分程序代码如下：

2.4.2 转速系数计算模块的设计

《规范》规定转速系数X可按下式求得：

转速系数模块主过程的部分程序代码如下：

2.4.3 规范要求的最小厚度计算模块的设计

该模块的主要作用是计算校核切面满足《规范》要求的最小切面厚度，其主过程的部分程序代码如下：

2.5 桨叶厚度径向分布模块的设计

根据强度校核的结果，在确定桨叶校核切面厚度的基础上，利用不同的分布规律（如图3所示）计算桨叶厚度的径向分布。

图3 径向分布窗体

桨叶厚度径向分布模块主过程的部分程序代码如下：

创建 HdfbZx、HdfbFxx、HdfbHl等自定义函数，有效地控制了程序中的变量数目，使程序结构严谨、代码简洁，且较好地提高了计算效率。例如自定义函数HdfbZx的功能是根据叶梢厚度和0.25R（或0.35R）处桨叶厚度等，利用线性分布规律计算其它各叶切面厚度的大小。

2.6 菜单设计和宏的自动加载等［3］

菜单和工具栏是应用程序必不可少的组成部分，其基本作用有两个：一是提供人机对话的界面，以便让用户选择应用系统的各种功能；二是管理应用系统，控制各种功能模块的运行。

启动AutoCAD时，要自动加载应用程序和菜单代码，需修改AutoCAD的文件夹“support”中"acad2004doc.lisp"文件。

3 程序的容错处理

容错处理是VBA应用程序的一项重要内容，在使用程序的过程中，可能会产生一些意想不到的错误或误操作，程序应对错误进行处理，以免程序中止。一般通过编写On Error语句来设置错误陷阱、使用Err对象的有关属性描述错误信息等，来处理程序代码的不足和缺陷，以保证程序的正常运行。

4 结 语

采用编写AutoCAD VBA应用程序的方法进行螺旋桨的强度计算，与传统方法相比较，优点如下：

（1）程序具有较好的实用性和通用性，不同螺旋桨的强度计算，仅仅是数据源的差别。

（2）通过程序运行的方式进行强度计算，不仅提高了工作效率，而且能有效地保证计算结果的准确性。

（3）提高了数据的可视化功能。

（4）应用程序易于集成到其它应用程序之中，易于组成可视化集成计算系统。

1 盛振邦.船舶原理（下册）［M］.上海交通大学出版社，2007：106～111.

2 中国船级社.钢质海船入级与建造规范（第3分册）［M］.人民交通出版社，2001：117～118，139～140.

3 张远双.船舶螺旋桨螺距修正的参数化研究［J］.武汉船舶职业技术学院学报，2009（5）：27～30.