基于PRO/E 软件的船用螺旋桨建模

2015-05-06张继光

江苏船舶 2015年1期

汪涛，张继光

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江212003;2.高邮市交通运输管理局，江苏高邮225000)

1 螺旋桨建模特点分析

螺旋桨由桨毂和若干径向固定于桨毂上的桨叶所组成的推进器，桨叶的叶面呈螺旋曲面形(既定螺距或变螺距)，叶片厚薄不均。由于桨叶几何形状的复杂性，在使用经验计算的各分析结果和加工工艺时，其误差往往较大，对实船的航速有决定性的影响，因此建立精细化的船用螺旋桨三维模型为实现螺旋桨细化分析和精加工提供基础。

螺旋桨的桨毂是标准的回转体，其建模较简单。而桨叶是个复杂的曲面，其参数包括:每个剖面的半径r，螺距P、纵倾角θ、伸张轮廓面上各型值点相对于基准点的定位值和导边、随边到中心线的距离。本建模方法主要依据型值表和其他参数来建模。

2 桨叶三维建模简介

根据某船B型螺旋桨举例来介绍其三维模型的大致方法。表1为桨叶切面型值表。

表1 桨叶切面型值表mm

(1)根据表1桨叶切面型值表，可查出在每一个r(0.2R……1.0R(R为螺旋桨半径))的参数下对应的桨叶切面的最大厚度、导边至最大厚度的距离、中心线至导边和随边的距离、桨叶切面的宽度、从导边起的距离、叶背坐标、叶面坐标，分别取若干个叶背、叶面坐标点，将各坐标点连接为叶背和叶面2条曲线，考虑各剖面的下螺距角，以及螺旋桨的纵倾角。

(2)绘制各切面半径处的圆柱面，再分别将不同半径处的切面曲线通过软件的缠绕或者垂直曲面投影功能做到相应的圆柱曲面上。

(3)利用边界混合及合并等工具，将曲线形成曲面。

(4)将曲面实体化。

3 螺旋桨叶三维曲面建模过程

(1)建模前，以图1(b)螺旋桨伸张轮廓图的中心线为基准，等距离偏移，与叶面线和叶背线相交得到若干交点。这些交点其实与桨叶切面型值表对应，可得到各半径下这些交点分别到中心线的距离。同时在图中也可量得，桨叶纵倾角下个半径处叶面线和叶背线到中心线偏移的距离。

(2)建立基准平面、坐标系及基准轴，根据软件的缺省基准平面，创建一与系统自动生成TOP基准面平行的基准平面DTMI。

(3)建立各剖面半径处的拉伸圆柱面，基准平面使用曲面拉伸的方式，以TOP基准平面为绘图平面，分别绘制以(0.2R，0.3R，…，0.95R ，1.0R)为半径的圆柱面，并分别命名为拉伸2(代表0.2R)，拉伸3(代表0.3R)，以此类推。

图1 螺旋桨图(单位:mm)

(4)草绘各剖面半径处切面曲线，如图2所示。

创建与系统自动生成right平面平行，距离等于各半径的草绘平面。根据螺旋桨绘图原理，先依据螺距，计算该半径下的螺距角，做一条倾斜的中心线，角度为螺距角。因螺旋桨具有一定的纵倾角，各切面中心线至基准中心的距离不一样，这些都要在图中表现出来。将叶面线和叶背线各交点到中心线的值，带入草绘图中，形成若干坐标点，用曲线命令分别将各坐标连接。需要注意，要根据CAD图，分别形成叶面曲线和叶背曲线2根曲线，而不是将坐标点连成1根，其中还需要完成桨叶最小半径0.1R处切面曲线的绘制。由于大部分图谱中只反映0.2R处的型值，假如只做0.2R，到后面实体的生成会发现桨毂和桨叶只有部分是相交的，而对于复杂的曲线和曲面，该软件不能做到延伸，只能尽可能将最小半径的切面曲线做出来。对于0.1R处的切面形状需要用到其他的软件或者工具进行插值计算，这里不再叙述。

图2 草绘剖面半径处切面曲线

(5)通过包络工具，分别将完成后的曲线缠绕到相应切面处的拉伸曲面上，完成不同半径处圆柱面上的缠绕曲线。利用曲线命令，将导边和随边的关键点连接起来形成导边和随边，利用Pro/E的边界混合功能自下而上分别将叶面、叶背曲线形成曲面，用曲面修剪命令分别将最小半径和最大半径处的曲线修剪形成叶根和叶梢处的曲面。这样该B型桨的外部曲面就由叶面、叶背、叶根和叶梢4个曲面组成。有的桨叶导边和随边是有厚度的，做模型时就要考虑将导边和随边也做成曲面。桨叶轮廓图如图3所示，图3中序号1～11为各剖面半径处的切面曲线。

4 桨叶实体化和阵列及螺旋桨的完成

使用软件的实体化工具将曲面转化为实体，再用阵列命令将实体化的桨叶阵列为5个桨叶。桨毂部分是旋转体，只需在front平面根据图1(a)中的桨毂尺寸草绘画出半个桨毂图形，再用旋转命令形成实体，将多出的叶根修剪掉，最后倒圆角，建模完成。螺旋桨三维图如图4所示。

5 结语

本三维模型完全根据螺旋桨图谱的设计原则及Pro/E强大的曲面功能，在建模过程中采用缠绕或投影的方式完全符合了螺旋桨桨叶曲面的成型特点及现有二维系列伸张轮廓展开图。此方法建模直观，便于修改。根据此建模方法，利用软件的兼容性高等特点，可快速得到螺旋桨的三维实体模型，相比于经验公式更准确。对于后续建立三维螺旋桨图库、变螺距螺旋桨或者无图谱的螺旋桨的设计及制作，以及相应的仿真分析，对比各物理几何参数都有很大的帮助。