螺旋槳槳葉建模新方法

螺旋槳槳葉建模新方法

螺旋槳是檢測器中最常用的一種。它主要由兩個部分組成：輪子和葉子。槳葉表面呈螺旋形狀，葉片薄而不均勻。其折疊形狀通常由100個原因控制其空間形狀的物理坐標確定。槳葉的幾何形狀特征是典型的復雜曲線。建立完善的船用螺旋槳三維模型是實現(xiàn)螺旋槳鑄造過程模擬、鑄造砂型制作、數(shù)控加工等工藝過程的關(guān)鍵和難點,也是實現(xiàn)螺旋槳強度分析、特性分析的基礎(chǔ)。國內(nèi)不少學者對螺旋槳的三維造型方法進行了研究,在建模過程中基本上是通過復雜的坐標變換計算來將螺旋槳二維型值表提供的一系列點的坐標值轉(zhuǎn)換成三維空間點云坐標,其計算復雜,需借助編程軟件來實現(xiàn)繁瑣的計算。本文根據(jù)螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點及Pro/E軟件功能特點,充分發(fā)揮該軟件的三維建模優(yōu)勢,摒棄了復雜的坐標變化推導計算,采用直觀、通俗易通的方式來完成螺旋槳的三維模型創(chuàng)建。1槳葉的參變量和參數(shù)量螺旋槳的結(jié)構(gòu)主要由輪轂和葉片兩部分組成。輪轂是標準的回轉(zhuǎn)體,螺旋槳通常具有3-6個形狀相同的槳葉,每個槳葉由定義在葉片展開面上的一系列型值點和其它相關(guān)參數(shù)來描述,定義螺旋槳槳葉的參變量包括:每個剖面圓的半徑r,螺距P、螺距角Φ、后傾角α、展開面上各型值點相對于基準點的定位值(1,h)和導邊到準線的距離Le。螺旋槳的葉面是螺旋面的一部分,故任何與螺旋槳共軸的圓柱與葉面的交線為螺旋線的一段。目前設(shè)計船用螺旋槳的方法有兩種,即圖譜設(shè)計法及環(huán)流理論設(shè)計法。圖譜設(shè)計法就是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗繪制成專用的各類圖譜來進行設(shè)計,是目前應(yīng)用較廣的一種設(shè)計方法。2確定截面曲線并進行旋轉(zhuǎn)根據(jù)螺旋槳葉片型值表,可查出在每一個r/R(0.2R,0.3R,0.4R,0.5R,0.6R,0.7R,0.8R,0.9R,0.95R)的參數(shù)下對應(yīng)的槳葉切面的最大厚度、導邊至最大厚度的距離、中心線至導邊的距離、葉片的寬度、從導邊起的距離、葉背坐標、葉面坐標,分別將葉背坐標、葉面坐標連接為葉背和頁面兩條曲線,并調(diào)整基準距離為導邊到母線長;然后繪制不同半徑處r/R(0.2R,0.3R,…,0.95R)的圓柱曲面;再對不同半徑處的截面曲線進行旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角為螺距角Φ;再分別將不同半徑處的截面曲線通過Pro/E的纏繞功能纏繞到相應(yīng)的圓柱曲面上;然后利用邊界混合及合并等工具,將曲線形成曲面;再將形成的曲面進行旋轉(zhuǎn),形成后傾效果并整列;最后將曲面轉(zhuǎn)為實體。3三維螺旋建模的過程3.1數(shù)據(jù)格式根據(jù)AU型螺旋槳葉型值表不同半徑處切面坐標值X、Y0、Yu,分別轉(zhuǎn)換為Pro/E可識別的pts格式點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式采用(X,Y0),(X,Yu)分別為一序列曲線點。分別將不同半徑(0.2r,0.3r,…,0.95r)處(X,Y0)、(X,Yu)系列曲線點分別轉(zhuǎn)入Pro/E中(圖1),點數(shù)據(jù)組成的曲線形應(yīng)為螺旋槳葉片切面形狀,檢查各點數(shù)據(jù)的變化情況,對不準確數(shù)據(jù)進行修改。3.2繪制dm1、0.3r的面根據(jù)Pro/E的缺省基準平面,創(chuàng)建一與front基準面平行的基準平面DTM1,創(chuàng)建三條過坐標系的基準軸,A-1,A-2,A-3,其中A-3與DTM1垂直。然后使用曲面拉伸的方式,以TOP基準平面為繪圖平面,分別繪制以(0.2r,0.3r,…,0.95r)為半徑的圓柱面(圖2),并分別命名為拉伸2(代表0.2R),拉伸3,拉伸10(代表0.95R)。再創(chuàng)建一與DTM1平行,距離大于R的拉伸曲面,并分別創(chuàng)建各半徑處輔助繪圖平面及坐標系,坐標系CS1距DTM1與A3基準軸交點的坐標系CS0的距離為導邊到母線的距離,可由伸張輪廓查到(圖3)。3.3繪制基準曲線分別以坐標系CS1為基準插入點數(shù)據(jù)(X,Y0),(X,Yu),并利用Pro/E的通過點建立曲線功能創(chuàng)建過(X,Y0),(X,Yu)系列點的基準曲線。并根據(jù)螺旋槳繪圖原理,將繪制好的曲線進行旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度為螺距角。并通過包絡(luò)工具,分別將旋轉(zhuǎn)后的曲線纏繞到r/R(0.2R,0.3R,…,0.95R)處的拉伸2曲面上,完成不同半徑處圓柱面上的纏繞曲線(圖4)。3.4使用旋轉(zhuǎn)工具創(chuàng)建槳架輪轂是標準的回轉(zhuǎn)體,可通過Pro/E的旋轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)。3.5間隙曲面合并利用Pro/E的邊界混合功能分別將葉面、葉背曲線形成曲面,并通過點創(chuàng)建曲線方式完成隨邊上下間的間隙曲面,通過合并工具將葉面曲面、葉背曲面、導邊、隨邊曲面合并成一個曲面。3.6旋轉(zhuǎn)后旋轉(zhuǎn)后葉片的旋轉(zhuǎn)因螺旋槳具有一定的后傾角,目前建好的曲面暫無后傾角,需沿旋轉(zhuǎn)軸A-1將合并好的曲面進行旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度為后傾角。并分別以A-2軸將旋轉(zhuǎn)后傾角后的槳葉旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°,得到四個槳葉。然后使用Pro/E的實體化工具將曲面物體轉(zhuǎn)化為實體,根據(jù)圖譜進行倒圓角,完成建模。4螺旋d型設(shè)計特點本三維模型完全根據(jù)螺旋槳螺旋曲面生成機理及Pro/E強大的三維曲面造型功能,探討其相關(guān)性,找出兩者的共同點,充分發(fā)揮了Pro/E的特點,在建模過程中采用纏繞的方式完全符合了螺旋槳葉面的成型特點及現(xiàn)有二維系列截面的展開圖表達方式。此建模方法摒棄了傳統(tǒng)建模過程中繁瑣的坐標變化,建模直觀、便于修改、可