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(cè)器中最常用的一種。它主要由兩個(gè)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(gè)原因控制其空間形狀的物理坐標(biāo)確定。槳葉的幾何形狀特征是典型的復(fù)雜曲線。建立完善的船用螺旋槳三維模型是實(shí)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(diǎn),也是實(shí)現(xiàn)螺旋槳強(qiáng)度分析、特性分析的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)螺旋槳的三維造型方法進(jìn)行了研究,在建模過程中基本上是通過復(fù)雜的坐標(biāo)變換計(jì)算來將螺旋槳二維型值表提供的一系列點(diǎn)的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成三維空間點(diǎn)云坐標(biāo),其計(jì)算復(fù)雜,需借助編程軟件來實(shí)現(xiàn)繁瑣的計(jì)算。本文根據(jù)螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及Pro/E軟件功能特點(diǎn),充分發(fā)揮該軟件的三維建模優(yōu)勢(shì),摒棄了復(fù)雜的坐標(biāo)變化推導(dǎo)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)體,螺旋槳通常具有3-6個(gè)形狀相同的槳葉,每個(gè)槳葉由定義在葉片展開面上的一系列型值點(diǎn)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(gè)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(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的定位值(1,h)和導(dǎo)邊到準(zhǔn)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(jì)船用螺旋槳的方法有兩種,即圖譜設(shè)計(jì)法及環(huán)流理論設(shè)計(jì)法。圖譜設(shè)計(jì)法就是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗(yàn)繪制成專用的各類圖譜來進(jìn)行設(shè)計(jì),是目前應(yīng)用較廣的一種設(shè)計(jì)方法。2確定截面曲線并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)根據(jù)螺旋槳葉片型值表,可查出在每一個(gè)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(duì)應(yīng)的槳葉切面的最大厚度、導(dǎo)邊至最大厚度的距離、中心線至導(dǎo)邊的距離、葉片的寬度、從導(dǎo)邊起的距離、葉背坐標(biāo)、葉面坐標(biāo),分別將葉背坐標(biāo)、葉面坐標(biāo)連接為葉背和頁面兩條曲線,并調(diào)整基準(zhǔn)距離為導(dǎo)邊到母線長(zhǎng);然后繪制不同半徑處r/R(0.2R,0.3R,…,0.95R)的圓柱曲面;再對(duì)不同半徑處的截面曲線進(jìn)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(jìn)行旋轉(zhuǎn),形成后傾效果并整列;最后將曲面轉(zhuǎn)為實(shí)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(biāo)值X、Y0、Yu,分別轉(zhuǎn)換為Pro/E可識(shí)別的pts格式點(diǎn)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(diǎn)。分別將不同半徑(0.2r,0.3r,…,0.95r)處(X,Y0)、(X,Yu)系列曲線點(diǎn)分別轉(zhuǎn)入Pro/E中(圖1),點(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)的變化情況,對(duì)不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。3.2繪制dm1、0.3r的面根據(jù)Pro/E的缺省基準(zhǔn)平面,創(chuàng)建一與front基準(zhǔn)面平行的基準(zhǔn)平面DTM1,創(chuàng)建三條過坐標(biāo)系的基準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)系,坐標(biāo)系CS1距DTM1與A3基準(zhǔn)軸交點(diǎn)的坐標(biāo)系CS0的距離為導(dǎo)邊到母線的距離,可由伸張輪廓查到(圖3)。3.3繪制基準(zhǔn)曲線分別以坐標(biāo)系CS1為基準(zhǔn)插入點(diǎn)數(shù)據(jù)(X,Y0),(X,Yu),并利用Pro/E的通過點(diǎn)建立曲線功能創(chuàng)建過(X,Y0),(X,Yu)系列點(diǎn)的基準(zhǔn)曲線。并根據(jù)螺旋槳繪圖原理,將繪制好的曲線進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)體,可通過Pro/E的旋轉(zhuǎn)功能實(shí)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(diǎn)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(dǎo)邊、隨邊曲面合并成一個(gè)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(jìn)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(gè)槳葉。然后使用Pro/E的實(shí)體化工具將曲面物體轉(zhuǎn)化為實(shí)體,根據(jù)圖譜進(jìn)行倒圓角,完成建模。4螺旋d型設(shè)計(jì)特點(diǎn)本三維模型完全根據(jù)螺旋槳螺旋曲面生成機(jī)理及Pro/E強(qiáng)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(diǎn),充分發(fā)揮了Pro/E的特點(diǎn),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(diǎn)及現(xiàn)有二維系列截面的展開圖表達(dá)方式。此建模方法摒棄了傳統(tǒng)建模過程中繁瑣的坐標(biāo)變化,建模直觀、便于修改、可