基于UG的螺旋槳的曲面造型開題報告.doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目基于UG的螺旋槳的曲面造型專業(yè)名稱機械設(shè)計制造及其自動化班級學(xué)號068105303學(xué)生姓名吳苑指導(dǎo)教師于斐填表日期2010年3月1日一、選題的依據(jù)及意義：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(fù)雜，而且各個槳葉可能互相覆蓋，導(dǎo)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(fù)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。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(xué)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。所以，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，因此選此課題進行設(shè)計與研究。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：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于一個轉(zhuǎn)轂上。構(gòu)成了螺旋槳的雛型；古代的風(fēng)車，隨風(fēng)轉(zhuǎn)動可以輸出扭矩，反之，在水中，輸入扭矩轉(zhuǎn)動風(fēng)車，水中風(fēng)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。在科學(xué)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(xué)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。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2距螺旋面或變螺距螺旋面設(shè)計，而導(dǎo)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(fù)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CAGD(計算機輔助幾何設(shè)計)學(xué)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。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(xué)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(fù)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(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(fù)旦大學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)術(shù)成果已在國際計算機圖形界占有重3要的一席之地5。隨著計算機圖形顯示對于真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設(shè)計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業(yè)和制造工業(yè)邁向一體化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和硬件設(shè)備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發(fā)展。這主要表現(xiàn)在研究領(lǐng)域的急劇擴展和表示方法的開拓創(chuàng)新6。從研究領(lǐng)域來看，曲面造型技術(shù)已從傳統(tǒng)的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉(zhuǎn)換和曲面位差。從表示方法來看，以網(wǎng)格細分(Subdivision)為特征的離散造型與傳統(tǒng)的連續(xù)造型相比，大有后來居上的創(chuàng)新之勢7。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特征動畫和雕塑曲面的設(shè)計加工中如魚得水，得到了高度的運用。計算機輔助幾何設(shè)計是隨著航空、汽車等現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展與計算機的出現(xiàn)而產(chǎn)生與發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它的主要目的就是用數(shù)學(xué)方法唯一地定義自由型曲線曲面的形狀，將形狀信息從模擬量傳遞改變?yōu)閿?shù)值量傳遞。通過它提供的方法，就可建立相應(yīng)的曲線曲面方程即數(shù)學(xué)模型，并在計算機上通過執(zhí)行計算和處理程序，計算出曲線曲面上大量點及其它信息。期間，通過分析與綜合就可了解所定義形狀具有的局部和整體的幾何特性。以下是CAGD的大致發(fā)展過程，從這個發(fā)展過程可以看出B樣條方法的優(yōu)勢所在。1963年美國波音飛機公司的弗格森(Ferguson)首先提出將曲線曲面表示為參數(shù)的矢函數(shù)方法。他最早引入?yún)?shù)三次曲線，構(gòu)造了組合曲線和由四角點的位置矢量及兩個方向的切矢定義的弗格森雙三次曲面片。1967年，美國麻省理工學(xué)院(MIT)的孔斯(Coons)提出了孔斯雙三次曲面片。它與弗格森所采用的曲線曲面片的區(qū)別在于將角點扭矢由零矢量改取為非零矢量。但兩者都存在形狀控制與連接問題。1971年法國雷諾(Renault)汽車公司的貝齊兒Bezier)提出了由控制多邊形定義曲線的方法。它簡單易用，很好地解決了整體形狀控制問題，但仍有局部修改問題8。1974年美國通用汽車公司的戈登(Gordon)和里森費爾德(Riesenfeld)將B樣條理論應(yīng)用于形狀描述，提出了B樣條曲線曲面9。它幾乎繼承了貝齊兒方法的一