基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化建模方法与实现

SHIP ENGINEERING 船舶工程

V ol.32 No.4 2010 总第32卷，2010年第4期基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化

建模方法与实现

唐英1，王志坚1，杨凯2

（1．北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2．中国电子科技集团公司第45研究所，三河 065201）

摘 要：船用螺旋桨的建模方法是将二维初始型值点导入通用CAD软件，通过多步操作得出三维空间数据，完成整个造型过程.这种方法不但操作繁琐，而且效率低.在研究了船用螺旋桨参数化建模方法的基础上，采用对UG进行二次开发的方法，编制出船用螺旋桨参数化建模的功能模块.通过给定船用螺旋桨的主要几何参数，计算出初始型值点，进行坐标变换，将其从平面坐标系还原到空间真实位置.另外给出桨叶叶梢缺失部分数据的NURBS拟合补充方法，并在进行光顺处理后，最终生成船用螺旋桨的三维模型.

关键词：船用螺旋桨；UG二次开发；自由曲面；参数化建模

中图分类号：U664.33 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2010) 04-0052-04

Parametrical Modeling Method and Implementation of Marine

Propeller Based on UG Software

TANG Ying1, W ANG Zhi-jian1, Y ANG Kai2

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Science and Technology University, Beijing 100083, China; 2.The 45th

Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Sanhe 065201, China)

Abstract:Marine propeller is a type of part with free-form surface. Traditional modeling method of marine propeller needs to export the origin data into CAD software, converting the origin 2D point data to the 3D point data after several steps and then complete the modeling process. This method is time-consuming and inefficiency.

With parametrical modeling technology, functional package for marine propeller modeling based on UG software is developed and introduced in the paper. In the developed package, some key structural parameters of marine propeller are inputted firstly and then the 2D point data and the 3D surface data are calculated automatically. To build the 3D model of the propeller part, firstly the coordinate transformation operation from a 2D coordinate system to a 3D reference system is needed to recover the points in its 2D drawing to their true position in 3D model. And then, point data at the tip of propeller are added with NURBS fitting method. After smoothing calculation of the surface, the 3D model of the marine propeller is completed.

Key words: marine propeller; UG Software; free-form surface; parametrical modeling

0 引言

船用螺旋桨是典型的自由曲面类零件，一般由桨叶和桨毂两部分构成.桨毂外形通常较为简单，是近似的圆锥体或圆柱体，而桨叶形状非常复杂.除极少数情况外，桨叶形状无法用简单数学公式进行描述，而是用许多离散点的坐标值来表示，这种用来表示形状的离散点称为型值点.每个桨叶叶片的型值点通常多达数百个，有时甚至更多.从二维图纸的型值点到最终三维模型的建立，其间需经过偏移、旋转、生成曲线、生成曲面等多步操作.大量数值的计算处理工作和繁冗复杂的操作过程使船用螺旋桨建模过程不仅费时费力，且容易出现差错.鉴于目前针对船用螺旋桨设计建

收稿日期：2009-10-27；修回日期：2010-01-20

作者简介：唐英（1967-），女，副教授，博士后，主要从事机械制造与自动化方面的科研与教学工作.

模的专用软件价格昂贵且适用面窄，本文在UG的基础上进行二次开发，开发出船用螺旋桨建模的专用功能模块.目的是在充分发挥UG强大功能优势的同时，回避通用软件操作繁琐复杂的弊端，降低对使用人员的技能要求，大幅缩短建模时间，提高工作效率.

1 船用螺旋桨建模参数的选取[1]

船用螺旋桨的主要参数包括直径、螺距（面螺距）、盘面比、桨叶切面类型、叶数、毂径比和后倾角等，它们共同决定了船用螺旋桨的形状.

直径：船用螺旋桨无前后运动的旋转时，桨叶最外端形成的圆形轨迹直径称为船用螺旋桨直径，以D 表示（R表示半径）.它是确定船用螺旋桨大小的直接参数，并且和其它参数一起，决定船用螺旋桨的形状.

螺距：船用螺旋桨桨叶叶面通常是螺旋面的一部分.如果叶面是等螺距螺旋面的一部分，则称为等螺距船用螺旋桨，反之称为变螺距船用螺旋桨.AU型船用螺旋桨是等螺距螺旋桨，螺距以P表示.

盘面比：盘面比也是描述船用螺旋桨形状的一个重要参数，以a E表示.盘面比的大小实质上表示桨叶宽窄程度.在相同叶数下，盘面比越大，桨叶越宽.

桨叶切面：与船用螺旋桨轮毂共轴的圆柱面与桨叶相截所得的截面称为螺旋桨叶切面，简称叶切面，它决定了船用螺旋桨叶片的局部形状，一般都是将其从圆柱面展为平面后给出轮廓尺寸.不同类型的船用螺旋桨，其叶切面轮廓有所不同.对于AU系列船用螺旋桨主要分AU、MAU、AU W、MAU W四种类型.

叶数：普通船用螺旋桨常为3~6个叶片.一般情况下，各个桨叶形状完全相同且沿圆周方向等间距分布.以Z表示，则每两个相邻叶片之间间隔弧度均为2π/Z.

毂径比：轮毂直径和船用螺旋桨直径的比值称为毂径比，以d h/D表示.AU型船用螺旋桨的毂径比一般取0.18，即d h = 0.18D.

后倾角：后倾角目的在于增大桨叶与船体的间隙，以减小船用螺旋桨诱导的船体振动，以ε表示.后倾角不能取得过大，通常小于15°，本文计算时取ε=10°.

因此，可以选取直径、螺距、盘面比、叶数、桨叶切面类型这几个重要参数，作为船用螺旋桨参数化建模中允许用户给定的参数.

2 建模流程

图1为船用螺旋桨三维建模的流程图.通过选取和输入船用螺旋桨的主要参数，即船用螺旋桨类型（包括叶数和桨叶切面类型）、直径、螺距和盘面比的数据，程序在后台自动进行数据的计算和处理，最终生成船用螺旋桨的三维模型.

图1 船用螺旋桨三维建模流程

2.1 二维型值点的计算

选取和输入船用螺旋桨的主要参数后，利用螺旋桨要素表、桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表[1]，即可计算出母线到叶片随边的距离、母线到叶片导边的距离、叶片宽度、叶片厚度、导边至最厚点的距离及各个叶切面型值点的二维坐标值，这些数据就是传统二维图纸中给出的数据信息.

2.2 型值点的坐标转换

二维型值点是不可以直接用于三维建模的，因为它们都是在局部平面坐标系内的数值.因此，首先需要将各半径处的叶切面二维平面型值点还原到对应的三维空间坐标系中，就是将各切面对应“缠绕”到与桨毂共轴线的圆柱面上去.对于船用螺旋桨型值点从平面局部坐标系到空间全局坐标系的坐标变换公式，张宏伟等给出了详细推导过程[2]，这里简述该数学模型的建立方法并直接引用其推导结果.

如图2所示，R i为某一叶切面对应半径，OH为基线，φ为螺距角，θ为纵斜角，因为通常情况下桨叶都向后倾斜，所以此处的纵斜角就是基本参数中的后倾角.坐标系OXYZ是全局坐标系，OXY平面与轮毂平面平行.O1X1Y1Z1坐标系与OXYZ平行，O1点为基线与圆柱面的交点.坐标系O2X2Y2Z2中，O2点为螺旋线与叶切面的切点，O2Z2轴经过叶切面厚度处.O2UVW坐标系的规定如图2中所示（U轴垂直于纸面，故在图中未标出），该坐标系可以通过旋转与O2X2Y2Z2坐标系