基于UG的螺旋槳的曲面造型論文.doc

南昌航空大學學士學位論文1基于UG的螺旋槳的曲面造型1緒論1.1論文背景螺旋槳是船泊動力系統(tǒng)中的一個重要零件，自從蒸汽機出現(xiàn)以后，它就開始應(yīng)用于船舶上，并成為了海船的主要推進形式。螺旋槳是一種典型的自由曲面零件，它的曲面形狀和制造精度直接決定了船泊的推進效率和噪音的大小，而其曲面造型的研究將有助于提高該類零件的加工精度和加工效率1。由于它形狀復雜，而且各個槳葉可能互相覆蓋，導致其加工費時、費力，加工精度和效率難以提高。螺旋槳的加工實際上就是對自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是機械加工領(lǐng)域的難點，同時也是該領(lǐng)域的研究熱點。自由曲面之所以難以加工是由其本身的幾何特點所決定的。自由曲面是不能由初等解析曲面組成，而是以復雜方式自由變化的曲面。這類曲面單純用畫法幾何與機械制圖是不能表達清楚的，它是工程中最復雜而又經(jīng)常遇到的曲面，在航空、造船、汽車、能源、國防等部門中許多零件的外形如各種螺旋槳槳葉曲面、各種葉片曲面、許多變螺距旋面以及模具工作表面等均為空間自由曲面，其形狀復雜、材料難以加工、精度要求高，在整個部件生產(chǎn)過程中其加工質(zhì)量和加工效率的高低舉足輕重。所以這就要求我們尋求新的既方便有合理有效的曲面造型方法。在科學技術(shù)不斷發(fā)展的今天，采用UG給螺旋槳造型越來越凸顯出它方便，直觀，具體化的優(yōu)勢，成為螺旋槳造型的最主要方式之一。綜上所述，對基于UG螺旋槳的三維造型的研究意義重大，它是國家航海及造船技術(shù)的標志之一。而且我國在這個領(lǐng)域起步較晚，具有很大的研究發(fā)展空間，因此本文選此課題進行設(shè)計與研究。1.2文獻綜述1.2.1螺旋槳的發(fā)展歷程古代的車輪，即歐洲所謂“槳輪”，配合蒸汽機，將原來槳輪的一列直葉板斜裝南昌航空大學學士學位論文2于一個轉(zhuǎn)轂上,構(gòu)成了螺旋槳的雛型。古代的風車，隨風轉(zhuǎn)動可以輸出扭矩，反之，在水中，輸入扭矩轉(zhuǎn)動風車，水中風車就有可能推動船運動。在當時，已經(jīng)使用了好幾個世紀的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式結(jié)構(gòu)能打水這一事實，作為推進器是重要的啟迪。偉大的英國科學家虎克在1683年成功地采用了風力測速計的原理來計量水流量，于此同時，他提出了新的推進器虎克螺旋槳推進船舶，為船舶推進器作出了重大貢獻。1752年，瑞士物理學家白努利第一次提出了螺旋槳比在它以前存在的各種推進器優(yōu)越的報告，他設(shè)計了具有雙導程螺旋的推進器，安裝在船尾舵的前方。1764年，瑞士數(shù)學家歐拉研究了能代替帆的其它推進器，如槳輪（明輪）噴水，也包括了螺旋槳。潛水器和潛艇在水面下活動，傳統(tǒng)的槳、帆無法應(yīng)用，笨重龐大的明輪也難適應(yīng)。于是第一個手動螺旋槳，不是用在船上，而是作為潛水器的推進工具。蒸汽機問世，為船舶推進器提供了新的良好動力，推進器順應(yīng)蒸汽機的發(fā)展，成為船舶推進的最新課題。第一個實驗動力驅(qū)動螺旋槳的是美國人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘76米長的小船，用蒸汽機直接驅(qū)動，在哈得遜河上做第一次實驗航行，實驗中發(fā)現(xiàn)發(fā)動機不行，于是換上瓦特蒸汽機，實驗航速是4節(jié)，最高航速曾達到8節(jié)。斯蒂芬螺旋槳有4個風車式槳葉，它鍛制而成，和普通風車比較它增加了葉片的徑向?qū)挾龋瑸樵趯嶒炛心苓x擇螺距與轉(zhuǎn)速的較好配合，槳葉做成螺距可以調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)。在哈得遜河上兩個星期的試驗航行中，螺旋槳改變了幾個螺距值，但是實驗的結(jié)果都不理想，性能遠不及明輪。這次實驗使他明白，在蒸汽機這樣低速的條件下，明輪的優(yōu)越性得到了充分發(fā)揮，它的推進效率高于螺旋槳是必然的結(jié)論。阿基米德螺旋的引入，最早見于1803年，1829年有英國的阿基米德螺旋槳的專利。并在此基礎(chǔ)上于1840-1841年建造了一些民用的螺旋槳。1843年，英國海軍在“雷特勒”號艦上，第一次以螺旋槳代替明輪，隨后由斯密士設(shè)計了20艘螺旋槳艦，參加了對俄戰(zhàn)爭，斯密士成為著名人物。1843年，美國海軍建造了第一艘螺旋槳船“浦林西登”號，它是由艦長愛列松設(shè)計，在愛列松的積極推廣下，美國相續(xù)建造了41艘民用螺旋槳船，最大的排水量達2000噸。盡管英、美等國取得了一些成功，但是螺旋槳用作船舶推進還有很多問題，如在木殼船上可怕的振動，在水線下的螺旋槳軸軸承磨損，槳軸密封，推力軸承等。隨著技術(shù)的進步，螺旋槳的上述缺陷，一個一個地克服，以及蒸汽機轉(zhuǎn)速的提高，愈來愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年，“大東方”號裝有當時世界上最大的螺旋槳，它的直徑有73米，重量達36噸，轉(zhuǎn)速每分種50轉(zhuǎn)，當時，推進器標準不再具有權(quán)威性，由于螺旋槳的推進效率接近明輪，而且它卻具有許多明南昌航空大學學士學位論文3輪無法競爭的優(yōu)點，明輪逐步在海船上消失。在科學技術(shù)發(fā)展過程中，許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規(guī)律和沒有完整的理論分析以前，這些裝置很難達到它的最任性能。螺旋槳也不例外，直到1860年，雖然它在海船上已經(jīng)成為一枝獨秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經(jīng)驗。螺旋槳的理論研究，在船舶技術(shù)發(fā)展過程中，它比任何一個專業(yè)領(lǐng)域都做得多，從經(jīng)驗方法過渡到數(shù)字化設(shè)計，再進而應(yīng)用計算機技術(shù)進行螺旋槳最佳化的設(shè)什。一個好的螺旋槳其設(shè)計是非常重要的，模型試驗也起著主要的作用。近代螺旋槳的發(fā)展，由于我國自19世紀中葉淪為半殖民地，很少有貢獻。解放后，我國造船事業(yè)得到新發(fā)展，對螺旋槳技術(shù)也進行了大量設(shè)計、研究工作，為各類艦船配上了大量自己設(shè)計制造的螺旋槳。最值得驕做的是“關(guān)刀槳”的問世，它是我國在螺旋槳技術(shù)發(fā)展中的一大創(chuàng)造。那是在60年代，廣州文沖船廠有一位師傅，名叫周挺，他根據(jù)自己幾十年制做螺旋槳的經(jīng)驗，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關(guān)公的82斤重大刀的式樣，他形象地叫它“關(guān)刀槳”。“關(guān)刀槳”曾在一些船上試驗航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振動卻大大地減弱了。在當時的長江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用，都取得了良好的效果，這一成就，吸引了許多造船界人士。1973年，在上海首先做了“關(guān)刀槳”敞水試驗研究，同時還提供了設(shè)計圖譜。在科學技術(shù)發(fā)展過程中，許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規(guī)律和沒有完整的理論分析以前，這些裝置很難達到它的最佳性能。螺旋槳的進步，只依靠專家們的直觀推理，已經(jīng)不能滿足船舶技術(shù)的發(fā)展需要，它有待科學家對其流體動力特性做出完整的解釋，這就促使螺旋槳理論的發(fā)展。1.2.2螺旋槳曲面造型的發(fā)展狀況船用螺旋槳是船用推進器中效率比較高，應(yīng)用最廣的一種，其主要功用是使船舶前進和后退，有時也協(xié)助船舶回轉(zhuǎn)。船舶的性能主要取決于該船的船型、主發(fā)動機和螺旋槳三大因素。而螺旋槳的推進效率又主要取決于螺旋槳槳葉的設(shè)計與制造螺旋槳通常由槳葉和槳毅兩部分組成，而槳葉又分為葉面和葉背。葉面的中間區(qū)域通常采用等螺距螺旋面或變螺距螺旋面設(shè)計，而導邊和隨邊處則采用流線型設(shè)計；葉背則是根據(jù)不同半徑處的切面厚度來決定的2。因此，它的設(shè)計和制造相對于常規(guī)機械零件復雜得多。通常給出螺旋槳的設(shè)計數(shù)據(jù)后，首先要對螺旋槳造型，所涉及的就是自由曲面的造型問題。曲面造型的好壞，直接決定了其加工質(zhì)量。而自由曲面的造型屬于南昌航空大學學士學位論文4CAGD(計算機輔助幾何設(shè)計)學科領(lǐng)域3。當前曲面造型的主流方法之一就是B樣條方法(basicspline)。根據(jù)給定的船體型值點，以三次非均勻B樣條為光順函數(shù)，采用整體光順方法，以應(yīng)變能最小、曲率變化均勻為準則，以控制點為未知量，建立最優(yōu)化問題的約束方程并求解，實現(xiàn)船體曲線的光順11。根據(jù)曲線的相對曲率線圖，將優(yōu)化后的光順B樣條船體曲線與插值B樣條曲線、傳統(tǒng)最小二乘法逼近曲線進行了比較。構(gòu)循規(guī)蹈矩本曲面，以UV方向上的單參數(shù)曲線族或站線、水線、縱剖線方向的截面曲線族為研究對象，以曲線族的應(yīng)變能之和最小為準則，進行光順處理，最后，以NURBS為統(tǒng)一數(shù)學表達式，根據(jù)光順后得到的控制點網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用雙三次非均勻有理B樣條得到光順的船體曲面。船體的外形較為復雜,其形狀的變化直接影響船舶的性能指標，建立精確的幾何模型是設(shè)計高質(zhì)量船舶的基礎(chǔ)。而船體曲面的計算機表達是對船體曲面進行設(shè)計、相關(guān)性能分析與計算以及后續(xù)CAM實現(xiàn)的必要基礎(chǔ).船體曲面是具有雙曲度的相當復雜的空間曲面，不能用規(guī)則的解析曲面進行描述,因此如何更加合理地運用數(shù)學方法來表達船體曲面形狀一直是造船界追求的關(guān)鍵目標之一。非均勻有理B樣條(NonUniformRationalBSpline,NURBS)曲面造型方法能夠同時表達自由曲線曲面和解析曲線曲面,故已成為船體曲面造型的研究熱點。曲面造型是計算機圖形學和計算機輔助幾何設(shè)計(ComputerAidedGeometricDesign)的一項重要內(nèi)容，主要研究在計算機圖象系統(tǒng)的環(huán)境下對曲面的表示、設(shè)計、顯示和分析4。它起源于飛機、船舶的外形放樣工藝，由Coons、Bezier等大師于六十年代奠定理論基礎(chǔ)。經(jīng)三十多年發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數(shù)化特征設(shè)計和隱式代數(shù)曲面表示這兩類方法為主體，以插值(Interpolation)、擬合(Fitting)、逼近(Approximation)這三種手段為骨架的幾何理論體系。我國學者在曲面造型技術(shù)的開發(fā)中投入了艱巨的勞動，取得了顯著的成績。其中值得提出的有復旦大學對參數(shù)曲線分類及形狀控制的研究和對多元散亂數(shù)據(jù)逼近擬合的研究，中國科技大學對Bezier曲面凸性條件的研究和對隱式曲面算法的研究，浙江大學對曲面幾何連續(xù)拼接理論的研究和對曲面幾何逼近方法的研究等。以上學術(shù)