基于ProE的螺旋桨设计与实体建模

第６期（总第１７５期）

２０１２年１２月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．６

Ｄｅｃ．

文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０６－００５６－０

２基于Ｐｒｏ／Ｅ的螺旋桨设计与实体建模

张沛强，李文英，周晓萍

（太原理工大学机械电子工程研究所，山西　太原　０３００２４

）摘要：螺旋桨是船用推进器中应用最广的一种。对螺旋桨的参数计算设计思路以及实体建模方法进行了详细介绍，为螺旋桨的初学设计人员提供了一般性的思路，便于依据实际参数要求，便捷地设计螺旋桨和运用Ｐｒｏ／Ｅ软件进行螺旋桨的三维实体建模。关键词：螺旋桨；参数计算；实体建模；设计

中图分类号：Ｕ６６１．３３＋

６∶ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ

收稿日期：２０１２－０５－０７；修回日期：２０１２－０６－２

９作者简介：张沛强（１９８７－）

，男，山西汾阳人，在读硕士研究生，研究方向：煤矿机械。０　引言

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提高。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，而实体建模又需要对螺旋桨参数有个初步的拟定。本文结合工程实际情况，先对螺旋桨的设计思路进行简要介绍，再使用计算机辅助设计软件生成实体，从而提供了一种简便实用的螺旋桨三维建模方法。１　螺旋桨设计１．１　螺旋桨的选型

船用螺旋桨使用的图谱桨一般以荷兰的Ｂ型桨和日本的ＡＵ型桨为主。ＡＵ型桨为等螺距桨，叶切面为机翼型；Ｂ型桨根部叶切面为机翼型，梢部为弓形，除四叶桨０．６Ｒ（Ｒ为螺旋桨的梢圆半径）至叶根处为线性变螺距外，其余均为等螺距，桨叶有１５°

的后倾。某船主机最大持续功率为６　１８０ｋＷ，转速为１６０ｒ／ｍｉｎ。根据船型资料，选取伴流分数ω＝０．３５，按经验公式决定推力减额分数ｔ＝０．７４ω＝０．２１，取相对旋转效率ηＲ＝１．０，船身效率ηＨ＝（１－ｔ）／（１－ω）＝１．２１５　４，则螺旋桨选用ＡＵ３型。１．２　负荷系数Ｂｐ的计算

按图谱设计最佳螺旋桨是从“最佳效率曲线”着

手。对于一定的盘面比，给定一个负荷系数Ｂｐ，就有一个最佳效率及与其对应的螺距比Ｐ／Ｄ（Ｐ为螺距，Ｄ为螺旋桨的梢圆直径）和直径系数δ，而且这些对应关系是唯一的。在设计的过程中，我们一般会先选定船体的航行速度ｖＳ。

Ｂｐ的计算公式为：Ｂｐ＝ｎＰ０．５Ｄ／ｖ２．５

Ａ

。其中：ｖＡ为螺旋桨前进速度，ｖＡ＝ｖＳ（１－ω）；ｎ为螺旋桨转速，ｒ／ｍｉｎ；ＰＤ为螺旋桨收到的功率，ｋＷ。

在设定好船体航速和了解到螺旋桨收到的功率后，

就能通过相关公式计算出该螺旋桨的负荷系数。１．３　螺旋桨梢圆直径Ｄ和螺距比Ｐ／Ｄ的计算

螺旋桨的选型已经确定，负荷系数Ｂｐ已经计算出，

在螺旋桨最佳要素计算式及回归系数表中找到对应的系数ａ、ｂ、ｃ三值，然后将ａ、ｂ、ｃ三值代入对应的公式中，螺旋桨的最佳效率η０、

螺距比Ｐ／Ｄ、直径系数δ都可计算出。Ｄ的计算公式为：

Ｄ＝δｖＡ

／ｎ。计算出直径Ｄ后，根据已经算得的螺距比Ｐ／Ｄ，可将螺距Ｐ也计算出来。

２　螺旋桨实体建模原理

根据螺旋桨的选型，依据对应的叶切面尺寸表，可计算出各半径柱面切平面上对应的叶背、叶面坐标值；将该叶背、叶面坐标值描点连线生成曲线，再将生成的曲线旋转，包络到相应半径柱面上，旋转角度值为螺旋桨的螺旋倾角；最后通过边界混合命令将柱面上的曲

线混合生成螺旋桨的桨叶。３　螺旋桨实体建模过程３．１　螺旋桨轮毂的成形

通过毂径比算出轮毂的直径，轮毂是回转体，可通过Ｐｒｏ／Ｅ的拉伸或回转命令对轮毂进行实体成形。３．２　建立螺旋桨与各半径比柱面的截面曲线

首先要建立参考柱面和参考平面；将叶切面尺寸表的坐标值导入Ｅｘｃｅｌ软件中，按照所占的百分比算出具体的坐标值；将该坐标值导入Ｐｒｏ／Ｅ中，在各半径比柱面的切平面上形成一系列点，将修正后的点连接生成曲线，将该曲线旋转，旋转角度为螺旋倾角；通过Ｐｒｏ／Ｅ中的包络命令，将旋转后的曲线包络到相应半径比柱面上，形成界面曲线，如图１所示。进而得到各半径比柱面上的界面曲线，

如图２所示。图１　界面曲线的形成

３．３　螺旋桨单个叶片成形

通过Ｐｒｏ／Ｅ中的边界混合命令，对各半径比柱面的界面曲线进行混合，操作时注意控制点的选择，避免影响叶片成形的不良因素；现在形成的叶片还仅为曲面，再通过Ｐｒｏ／Ｅ中的合并命令，将生成的叶片实体成形，如图３、图４所示。３．４　螺旋桨整个叶片成形

叶片布置在轮毂的周围，整个叶片成形可通过Ｐｒｏ／Ｅ的阵列命令进行操作，

如图５所示。３．５　螺旋桨的合理加工

螺旋桨叶片成形结束后，可对螺旋桨的叶根、叶梢等地方进行合理修葺，便于螺旋桨的加工、安装。

图２　全部界面曲线的创建 图３　混合形成单个桨叶

图４　单个桨叶的形成 图５　阵列形成螺旋桨

４　结语

结合螺旋桨的实际参数要求，运用Ｐｒｏ／Ｅ软件对螺旋桨进行三维实体建模，实现了对螺旋桨的参数化设计，为螺旋桨的初学设计人员提供了一般性的思路，

缩短了设计周期，提高了设计效率，降低了设计成本。

参考文献：

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６２．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｎｔｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　

Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｒｏ／Ｅ　ｆｏｒ　ＰｒｏｐｅｌｌｅｒＺＨＡＮＧ　Ｐｅｉ－ｑｉａｎｇ，ＬＩ　Ｗｅｎ－ｙｉｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｘｉａｏ－ｐｉｎｇ

（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｍａｒｉｎｅ　ｔｈｒｕｓｔｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｒｅｇｕｌａｒ　ｉｄｅａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｒｅｓｈ　ｄｅｓｉｇｎｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｓｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ　ａｎｄ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｅｎｔｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ　ｂｙ　Ｐｒｏ／Ｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｅｎｔｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎ·

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０１２年第６期 张沛强，等：基于Ｐｒｏ／Ｅ的螺旋桨设计与实体建模