螺旋桨三维建模方法研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(天津大学机械工程学院 , 天津 300072)
摘要 : 推导了螺旋桨叶切面处局部坐标系到全局坐标系的坐标变换公式 , 并提出了相应的坐标点计算程序设计方法 , 在此基础上用实例介绍了在 Pro / ENGINEER绘图环境下的螺旋桨三维实体建模过程 。
关键词 : 螺旋桨 ; 坐标变换 ; 三维建模 中图分类号 : TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2006) 5 - 060 - 3
下的 Through Points选 项 , 然
后由底至顶逐点选取所生成
曲线族的端点 。至此完 成 了
螺旋桨空间边界曲线图 , 如
图 3 所示 , 面向我们观察方
向的为叶面方向 。
(5) 利用边界曲线图生 成螺旋桨桨叶曲面图 。边 界
(Boundaries) 是 曲 面 绘 制 经 常用到的方法 , 使用边界命
模型 。
最终生成的螺旋桨实体模型如图 4所示 。 4 结论
本文推导了螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标 系的坐标转换公式 。从而解决了将图谱提供的空间叶 切面的几何数据应用到三维 CAD 造型过程之中的问 题 , 使整个造型过程变得简便直观 , 因此具有一定的 普遍意义 。
对于螺旋桨曲面创建过程 , 基于本文提出的方 法 , 可以简便地完成造型过程 , 可操作性强 。据此 , 对于常用的叶型 , 利用二次开发工具可以编制灵活而 实用的螺旋桨参数化设计制图软件 , 进而生成系列化 的螺旋桨 , 极大地提高了效率 。
Begin curve ! 2
1 11. 178253 166. 646916 40. 834568
2 15. 222363 166. 326269 40. 122382
3 16. 619980 166. 192432 40. 068769 ………… 其中 Open A rclength为 Pro / ENGINEER 的关键词 。 Begin curve ! 后面的数字代表曲线序号 , 每行的起始 数字代表各条曲线上点的序号 , 其后面的 3个数分别 为此点的 X、 Y、 Z 坐标 。 该文件用 W indows记事本创建后保存为 3 . ilb 格式即可生成 。 (2) 获得的坐标点生成 16 条基准曲线 (Datum
Research on 3D M odeling of Propeller
ZHANG Hongwei, WANG Shuxin, HOU W ei, HE M anli
( School of M echanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The coordinate transformation formula of transform ing the local coordinates of the points on the section p lane of p ropel2 ler to global coordinates was deduced, and the method of develop ing the p rogram according to the formula was introduced1 An examp le of Propeller 3D Modeling was p resented based on Pro / ENGINEER1
图 3 螺旋桨空间 边界曲线图
令提供的混成曲面 (B lended
Surf) 方式能够很方便地完
成桨叶曲面造型 , 得到 3 个
光滑曲面 : 叶面 、叶背 、和
叶根面 。然后将 3 个曲面使
用 Merge ( 合并 ) 命令合并 成封闭曲面 , 再用实体生成 命令将封闭曲面转换为实体
图 4 螺旋桨的 Pro / ENGINEER实 体模型
Open A rclengthBegin section ! 1
Begin curve ! 1
1 - 33. 074982 163. 713755 54. 122207
2 - 28. 771095 164. 524685 52. 223925
3 - 24. 394579 165. 230302 50. 515490 …………
以半径为 R i 的共轴圆柱面与螺旋桨桨叶相截 , 所得的叶切面如图 1 ( a) 中阴影部分所示 , 将此叶 切面沿圆柱面展开得到图 1 ( b) 中所示的叶切面展 开图 。螺旋桨图谱以切面最厚处为基准提供了叶切面
展开图中面线和背线上各等分点的相对位置关系 。下
面推导将各叶切面上等分点的局部坐标值转换为全局
对于三维建模来说 , 螺旋桨曲面型值计算的任务 是通过导出绘制螺旋桨曲面所需的所有型值点的空间 坐标与已知设计条件之间的关系式 , 再用此式计算得 到计算机辅助设计软件绘图所能直接使用的曲面基准 点坐标值 , 进而为数控加工程序的生成工作做准备 。
已知螺旋桨基本参数 , 且已知螺旋桨各叶切面的 形状尺寸 , 即已知辐射基线至随边 、辐射基线至导 边 、切面弦长 、切面最大厚度 、切面最厚处至导边的 尺寸和不同半径处切面纵坐标 。
条线的首尾两点为重合点 。
(3) 在螺旋桨叶梢部位曲线缩为一点 , 此处切
面弦长和最大厚度都为零 , 导边和随边重合 。这时图
谱提供的 叶 梢处 辐射 基 线至 随 边的 长度 即 为 公 式
( 6) 中的 L。
整个程序的流程如
图 2所示 。
最终得到 16条曲线
(叶面 8 条 , 叶背 8 条 )
的离 散 点 和 叶 梢 点 在 全
X′
U
Y′ = V + L sinφ
(3)
Z ′ W + L cosφ
其中
L =L1 - L2 式中 : L1 为导边至基线长度 , L2 为最厚处至基线长 度。
将其转换到原点与 O 点重合的柱坐标系 ( R i, Ψ, Z ) 中 , 可得 :
X′
U
Y′ = R i sinψ
(4)
Z ′ W + L sinφ
( 1) 计算各个同心圆柱面的半径 R i 和相应半径 情况下的螺旋角 φ。图谱提供的 R i 序列值为螺旋桨 半径的 012 ～1 倍 , 步长为 011。这样 , 在纵斜角已
知的情况下 , 通过循环计算可以得到各叶切面在基线
上的位置 。
( 2) 确定图谱提供的叶切面的面线和背线的各
离散点在 O1 X1 Y1 Z1 坐标系中的横纵坐标值 。如 B 型 桨叶图谱分别为面线和背线提供了 13 个点 , 其中两
本文提供的螺旋桨三维实体建模方法是实用而切 实可行的 。 参考文献 【1】郭永崧 , 董国祥. 现代船用螺旋桨设计应用程序研究
[ J ] 1交通部上海船舶运输科学研究所学报 , 2001, 24 (2) : 71 - 77. 【2】张佐厚 , 胡志安. 船舶推进 [M ] 1国防工业出版社 , 1980112. 【3】盛振邦 , 等. 中国船用螺旋桨图谱集 [M ] 1中国造 船 , 198314. 【4】林清安. Pro / ENGINEER2000 i2 零件设计 [M ] 1清华 大学出版社 , 200117. 作者简介 : 张宏伟 (1976—) , 男 , 博士研究生 。研究 领域 : 智能机器人技术 。电话 : 022 - 87401637, E - mail: zhanghongweitrue@ eyou1com。
图 1 螺旋桨投影原理图 螺旋桨总体的造型设计是以桨叶的基本投影原理 为基础的 。不同半径的同心圆柱面与桨叶相截得到一 系列的叶切面 。 传统的螺旋桨手工作图法的几何视图表达方式是 根据螺旋桨图谱提供的桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺
坐标系中的坐标值的坐标变换式 。
图 1中 OH 为基线 。θ为纵斜角 , 螺旋角为 φ。 全局坐标系 OXYZ的 OXY平面与螺旋桨轮毂端面平 行 。O′点为基线与圆柱面的交点 , 坐标系 O ′X′Y′Z′ 与 OXYZ平行 。坐标系 O1 X1 Y1 Z1 中 , O1 Z1 轴经过叶 切面 的 最 厚 处 , O1 点 为 螺 旋 线 与 叶 切 面 的 切 点 。 O1UVW 坐标系的规定如图 1 ( b) 中所示 。O1UVW 坐标系可以通过一次旋转与 O1 X1 Y1 Z1 坐标系重合 , 由此可得 :
《机床与液压 》20061No15
·61·
U 10
0
X1
V = 0 cosφ - sinφ Y1
(2)
W
0 sinφ cosφ Z1
如果 已 知 O1 X1 Y1 Z1 中 点 M 的 坐 标 ( X1 , Y1 ,
Z1 ) , 由式 ( 2) 可得其在 O1UVW 坐标系中的坐标 。 由图 1 ( b) 可知 :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·62·
《机床与液压 》20061No15
Curve) 。点选 Datum /Curve菜单下的 Frome File选项 ,
(6)
Y1 sinφ + Z1 cosφ + L sinφ - R i tanθ
式 ( 6) 即为曲面型值点的局部坐标到全局坐标
的转换公式 。
2 螺旋桨曲面型值点坐标编程计算
在已知螺旋桨基本参数和各叶切面几何参数的情
况下 , 由式 ( 6) , 通过计算机编程就可以很方便地
得到螺旋桨所有曲面型值点坐标 。其过程要点如下 :
供了包括高级曲面特征
图 2 曲面型值点坐 标计算流程
创建在内的完善的命令体系 , 并拥有方便的曲线 三维空间点文件读入和空间基准曲线生成功能 。
具体的造型过程如下 : (1) 用上面获 得 的坐 标 点创 建 一个 Pro / ENGI2 NEER 能够识别的 3 1 ibl格式文件 , 为后面创建基准 曲线时坐标点资料的读入做准备 。其格式样例如下 :
X1
1
0
0U
Y1 = 0 cosφ sinφ V
(1)
Z1
0 - sinφ cosφ W
由 ( 1) 式可得 :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights renφ Ri
由图 1 ( a) 可得到坐标变换关系 :
X
X ′+ R i cosψ
Y=
Y′
(5)
Z
Z ′- R i tanθ
由公式 ( 2) ～ ( 5) 整理可得 :
X
R i cos
Y1 cosφ -
Z1 sinφ + L cosφ Ri
Y Z
=
R i sin
Y1 cosφ - Z1 sinφ + L cosφ Ri
Keywords: Propeller; Transformation of coordinates; 3D modeling
0 引言 螺旋桨是目前船用推进器中效率较高 、应用最广
寸表等数据绘制出正投影图 , 侧投影图和伸张轮廓 图。
的一种 。近年来 , 随着我国海洋经济的发展 , 近海经 济型船只和水下航行器的设计制造需求不断增多 。对 于大量使用的内河及近海船用小型螺旋桨的加工 , 传 统的手工操作方式越来越多地被具有良好加工精度的 数控加工方式取代 。螺旋桨的数控加工编程首先需要 对螺旋桨进行三维实体建模 。在已知螺旋桨几何参数 的情况下 , 购买和使用大型船舶 CAD 系统必然会显 著地增加成本 。本文利用坐标变换方法获得螺旋桨曲 面型值空间坐标 , 再使用计算机辅助设计软件生成曲 面 , 从而提供了一种简便实用的螺旋桨三维建模方 法。 1 基于坐标变换方法的螺旋桨曲面型值的计算
对于三维建模来说螺旋桨曲面型值计算的任务是通过导出绘制螺旋桨曲面所需的所有型值点的空间坐标与已知设计条件之间的关系式再用此式计算得到计算机辅助设计软件绘图所能直接使用的曲面基准点坐标值进而为数控加工程序的生成工作做准备
·60·
《机床与液压 》20061No15
螺旋桨三维建模方法研究
张宏伟 , 王树新 , 侯巍 , 何漫丽
局坐标系中的三维坐标 ,
其中 每 条 曲 线 有 13 个
点。
3 螺旋桨曲面造型过
程
下面 以 盘 面 比 为
35%的 B 型三叶螺旋桨
为 例 , 以 Pro / ENGI2
NEER 为 绘 图 软 件 , 对
螺旋 桨 曲 面 三 维 造 型 过
程进行了详细讲解 。 Pro / ENGINEER 提
选取坐标原点后 , 在自动弹出的 open 对话框中选择 刚才生成的 ibl文件 , 螺旋桨叶切面曲线族将自动生
成并显示在屏幕上 。
( 3) Datum / Point (基 准 点 ) 模 式 下 选 用 Offset
Csys (坐标偏移 ) 方式生成叶梢点 。
(4) 生成螺旋桨叶空间
轮廓曲线 。选择 Datum /Curve
摘要 : 推导了螺旋桨叶切面处局部坐标系到全局坐标系的坐标变换公式 , 并提出了相应的坐标点计算程序设计方法 , 在此基础上用实例介绍了在 Pro / ENGINEER绘图环境下的螺旋桨三维实体建模过程 。
关键词 : 螺旋桨 ; 坐标变换 ; 三维建模 中图分类号 : TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2006) 5 - 060 - 3
下的 Through Points选 项 , 然
后由底至顶逐点选取所生成
曲线族的端点 。至此完 成 了
螺旋桨空间边界曲线图 , 如
图 3 所示 , 面向我们观察方
向的为叶面方向 。
(5) 利用边界曲线图生 成螺旋桨桨叶曲面图 。边 界
(Boundaries) 是 曲 面 绘 制 经 常用到的方法 , 使用边界命
模型 。
最终生成的螺旋桨实体模型如图 4所示 。 4 结论
本文推导了螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标 系的坐标转换公式 。从而解决了将图谱提供的空间叶 切面的几何数据应用到三维 CAD 造型过程之中的问 题 , 使整个造型过程变得简便直观 , 因此具有一定的 普遍意义 。
对于螺旋桨曲面创建过程 , 基于本文提出的方 法 , 可以简便地完成造型过程 , 可操作性强 。据此 , 对于常用的叶型 , 利用二次开发工具可以编制灵活而 实用的螺旋桨参数化设计制图软件 , 进而生成系列化 的螺旋桨 , 极大地提高了效率 。
Begin curve ! 2
1 11. 178253 166. 646916 40. 834568
2 15. 222363 166. 326269 40. 122382
3 16. 619980 166. 192432 40. 068769 ………… 其中 Open A rclength为 Pro / ENGINEER 的关键词 。 Begin curve ! 后面的数字代表曲线序号 , 每行的起始 数字代表各条曲线上点的序号 , 其后面的 3个数分别 为此点的 X、 Y、 Z 坐标 。 该文件用 W indows记事本创建后保存为 3 . ilb 格式即可生成 。 (2) 获得的坐标点生成 16 条基准曲线 (Datum
Research on 3D M odeling of Propeller
ZHANG Hongwei, WANG Shuxin, HOU W ei, HE M anli
( School of M echanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The coordinate transformation formula of transform ing the local coordinates of the points on the section p lane of p ropel2 ler to global coordinates was deduced, and the method of develop ing the p rogram according to the formula was introduced1 An examp le of Propeller 3D Modeling was p resented based on Pro / ENGINEER1
图 3 螺旋桨空间 边界曲线图
令提供的混成曲面 (B lended
Surf) 方式能够很方便地完
成桨叶曲面造型 , 得到 3 个
光滑曲面 : 叶面 、叶背 、和
叶根面 。然后将 3 个曲面使
用 Merge ( 合并 ) 命令合并 成封闭曲面 , 再用实体生成 命令将封闭曲面转换为实体
图 4 螺旋桨的 Pro / ENGINEER实 体模型
Open A rclengthBegin section ! 1
Begin curve ! 1
1 - 33. 074982 163. 713755 54. 122207
2 - 28. 771095 164. 524685 52. 223925
3 - 24. 394579 165. 230302 50. 515490 …………
以半径为 R i 的共轴圆柱面与螺旋桨桨叶相截 , 所得的叶切面如图 1 ( a) 中阴影部分所示 , 将此叶 切面沿圆柱面展开得到图 1 ( b) 中所示的叶切面展 开图 。螺旋桨图谱以切面最厚处为基准提供了叶切面
展开图中面线和背线上各等分点的相对位置关系 。下
面推导将各叶切面上等分点的局部坐标值转换为全局
对于三维建模来说 , 螺旋桨曲面型值计算的任务 是通过导出绘制螺旋桨曲面所需的所有型值点的空间 坐标与已知设计条件之间的关系式 , 再用此式计算得 到计算机辅助设计软件绘图所能直接使用的曲面基准 点坐标值 , 进而为数控加工程序的生成工作做准备 。
已知螺旋桨基本参数 , 且已知螺旋桨各叶切面的 形状尺寸 , 即已知辐射基线至随边 、辐射基线至导 边 、切面弦长 、切面最大厚度 、切面最厚处至导边的 尺寸和不同半径处切面纵坐标 。
条线的首尾两点为重合点 。
(3) 在螺旋桨叶梢部位曲线缩为一点 , 此处切
面弦长和最大厚度都为零 , 导边和随边重合 。这时图
谱提供的 叶 梢处 辐射 基 线至 随 边的 长度 即 为 公 式
( 6) 中的 L。
整个程序的流程如
图 2所示 。
最终得到 16条曲线
(叶面 8 条 , 叶背 8 条 )
的离 散 点 和 叶 梢 点 在 全
X′
U
Y′ = V + L sinφ
(3)
Z ′ W + L cosφ
其中
L =L1 - L2 式中 : L1 为导边至基线长度 , L2 为最厚处至基线长 度。
将其转换到原点与 O 点重合的柱坐标系 ( R i, Ψ, Z ) 中 , 可得 :
X′
U
Y′ = R i sinψ
(4)
Z ′ W + L sinφ
( 1) 计算各个同心圆柱面的半径 R i 和相应半径 情况下的螺旋角 φ。图谱提供的 R i 序列值为螺旋桨 半径的 012 ～1 倍 , 步长为 011。这样 , 在纵斜角已
知的情况下 , 通过循环计算可以得到各叶切面在基线
上的位置 。
( 2) 确定图谱提供的叶切面的面线和背线的各
离散点在 O1 X1 Y1 Z1 坐标系中的横纵坐标值 。如 B 型 桨叶图谱分别为面线和背线提供了 13 个点 , 其中两
本文提供的螺旋桨三维实体建模方法是实用而切 实可行的 。 参考文献 【1】郭永崧 , 董国祥. 现代船用螺旋桨设计应用程序研究
[ J ] 1交通部上海船舶运输科学研究所学报 , 2001, 24 (2) : 71 - 77. 【2】张佐厚 , 胡志安. 船舶推进 [M ] 1国防工业出版社 , 1980112. 【3】盛振邦 , 等. 中国船用螺旋桨图谱集 [M ] 1中国造 船 , 198314. 【4】林清安. Pro / ENGINEER2000 i2 零件设计 [M ] 1清华 大学出版社 , 200117. 作者简介 : 张宏伟 (1976—) , 男 , 博士研究生 。研究 领域 : 智能机器人技术 。电话 : 022 - 87401637, E - mail: zhanghongweitrue@ eyou1com。
图 1 螺旋桨投影原理图 螺旋桨总体的造型设计是以桨叶的基本投影原理 为基础的 。不同半径的同心圆柱面与桨叶相截得到一 系列的叶切面 。 传统的螺旋桨手工作图法的几何视图表达方式是 根据螺旋桨图谱提供的桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺
坐标系中的坐标值的坐标变换式 。
图 1中 OH 为基线 。θ为纵斜角 , 螺旋角为 φ。 全局坐标系 OXYZ的 OXY平面与螺旋桨轮毂端面平 行 。O′点为基线与圆柱面的交点 , 坐标系 O ′X′Y′Z′ 与 OXYZ平行 。坐标系 O1 X1 Y1 Z1 中 , O1 Z1 轴经过叶 切面 的 最 厚 处 , O1 点 为 螺 旋 线 与 叶 切 面 的 切 点 。 O1UVW 坐标系的规定如图 1 ( b) 中所示 。O1UVW 坐标系可以通过一次旋转与 O1 X1 Y1 Z1 坐标系重合 , 由此可得 :
《机床与液压 》20061No15
·61·
U 10
0
X1
V = 0 cosφ - sinφ Y1
(2)
W
0 sinφ cosφ Z1
如果 已 知 O1 X1 Y1 Z1 中 点 M 的 坐 标 ( X1 , Y1 ,
Z1 ) , 由式 ( 2) 可得其在 O1UVW 坐标系中的坐标 。 由图 1 ( b) 可知 :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·62·
《机床与液压 》20061No15
Curve) 。点选 Datum /Curve菜单下的 Frome File选项 ,
(6)
Y1 sinφ + Z1 cosφ + L sinφ - R i tanθ
式 ( 6) 即为曲面型值点的局部坐标到全局坐标
的转换公式 。
2 螺旋桨曲面型值点坐标编程计算
在已知螺旋桨基本参数和各叶切面几何参数的情
况下 , 由式 ( 6) , 通过计算机编程就可以很方便地
得到螺旋桨所有曲面型值点坐标 。其过程要点如下 :
供了包括高级曲面特征
图 2 曲面型值点坐 标计算流程
创建在内的完善的命令体系 , 并拥有方便的曲线 三维空间点文件读入和空间基准曲线生成功能 。
具体的造型过程如下 : (1) 用上面获 得 的坐 标 点创 建 一个 Pro / ENGI2 NEER 能够识别的 3 1 ibl格式文件 , 为后面创建基准 曲线时坐标点资料的读入做准备 。其格式样例如下 :
X1
1
0
0U
Y1 = 0 cosφ sinφ V
(1)
Z1
0 - sinφ cosφ W
由 ( 1) 式可得 :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights renφ Ri
由图 1 ( a) 可得到坐标变换关系 :
X
X ′+ R i cosψ
Y=
Y′
(5)
Z
Z ′- R i tanθ
由公式 ( 2) ～ ( 5) 整理可得 :
X
R i cos
Y1 cosφ -
Z1 sinφ + L cosφ Ri
Y Z
=
R i sin
Y1 cosφ - Z1 sinφ + L cosφ Ri
Keywords: Propeller; Transformation of coordinates; 3D modeling
0 引言 螺旋桨是目前船用推进器中效率较高 、应用最广
寸表等数据绘制出正投影图 , 侧投影图和伸张轮廓 图。
的一种 。近年来 , 随着我国海洋经济的发展 , 近海经 济型船只和水下航行器的设计制造需求不断增多 。对 于大量使用的内河及近海船用小型螺旋桨的加工 , 传 统的手工操作方式越来越多地被具有良好加工精度的 数控加工方式取代 。螺旋桨的数控加工编程首先需要 对螺旋桨进行三维实体建模 。在已知螺旋桨几何参数 的情况下 , 购买和使用大型船舶 CAD 系统必然会显 著地增加成本 。本文利用坐标变换方法获得螺旋桨曲 面型值空间坐标 , 再使用计算机辅助设计软件生成曲 面 , 从而提供了一种简便实用的螺旋桨三维建模方 法。 1 基于坐标变换方法的螺旋桨曲面型值的计算
对于三维建模来说螺旋桨曲面型值计算的任务是通过导出绘制螺旋桨曲面所需的所有型值点的空间坐标与已知设计条件之间的关系式再用此式计算得到计算机辅助设计软件绘图所能直接使用的曲面基准点坐标值进而为数控加工程序的生成工作做准备
·60·
《机床与液压 》20061No15
螺旋桨三维建模方法研究
张宏伟 , 王树新 , 侯巍 , 何漫丽
局坐标系中的三维坐标 ,
其中 每 条 曲 线 有 13 个
点。
3 螺旋桨曲面造型过
程
下面 以 盘 面 比 为
35%的 B 型三叶螺旋桨
为 例 , 以 Pro / ENGI2
NEER 为 绘 图 软 件 , 对
螺旋 桨 曲 面 三 维 造 型 过
程进行了详细讲解 。 Pro / ENGINEER 提
选取坐标原点后 , 在自动弹出的 open 对话框中选择 刚才生成的 ibl文件 , 螺旋桨叶切面曲线族将自动生
成并显示在屏幕上 。
( 3) Datum / Point (基 准 点 ) 模 式 下 选 用 Offset
Csys (坐标偏移 ) 方式生成叶梢点 。
(4) 生成螺旋桨叶空间
轮廓曲线 。选择 Datum /Curve