螺旋桨三维建模方法研究
基于CAXAV2013的螺旋桨三维建模与多轴编程技术
投稿信箱：******************.cn基于CAXA V2013的螺旋桨三维建模与多轴编程技术□广东省工商高级技工学校 郎永兵螺旋桨是指靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力的装置，或有两个或较多的叶与毂相连，叶向后的一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器。
螺旋桨分为很多种，应用十分广泛，如飞机、轮船等。
螺旋桨模型的工程图如图1所示，以国产CAD/CAM软件CAXA制造工程师2013为例，其建模、编程具体操作如下。
一、图样分析如图1所示，该螺旋桨由中间的毂与3个螺旋叶片组成。
其中，中间的毂由圆柱、半椭球等组成；螺旋叶片是基于螺距80mm、圈数0.7mm、半径65mm的螺旋线两边偏置1mm的两叶片曲线与螺距80mm、圈数0.7mm、半径21.5mm的螺旋线两边偏置3.5mm的两叶片曲线而形成的三维直纹螺旋曲面，结合CAXA软件建模可得螺旋叶片的叶片曲线是由半径65mm 螺旋线与半径21.5mm螺旋线组成的直纹螺旋面向两边等距1mm与等距3.5mm后形成的等距面上的边界曲线；螺旋叶片的端部倒圆角R25mm，与中间毂倒圆角R7.5mm，叶片外部轮廓倒圆角R1mm。
螺旋桨模型的加工依据其加工部位、模型构建过程与装夹方式可简单划分为以下几个部分：①螺旋桨底部的加工；②螺旋桨整体开粗；③顶部曲面（椭球面）精加工；④叶片外部边沿R25mm、R7.5mm和R1mm倒圆角加工；⑤叶片精加工；⑥叶片底部边沿R7.5mm倒圆角加工；⑦叶片中间柱面槽精加工；⑧R6mm倒圆角加工。
图1 螺旋桨模型工程图二、螺旋桨三维模型构建螺旋桨的三维模型构建步骤主要由中间基础模型、叶片模型与模型细节处理（倒角、过渡）3个部分组成。
根据螺旋桨模型工程图（图1）完成螺旋桨三维建模，具体创建和操作如下。
1.中间基础模型构建在X-Z平面建立基础模型草图，应用软件二维绘图功能【直线】和【椭圆】完成草图绘制；使用【旋转增料】完成回转体模型构建，选择【打孔】功能完成中间基础模型的构建，如图2所示。
基于UGGrip的船用螺旋桨三维建模关键技术
第35卷 第4期大连海事大学学报Vol.35 N o.4 2009年11月Journal of Dalian Maritime University N ov., 2009文章编号:1006-7736(2009)04-0121-03基于UG Grip的船用螺旋桨三维建模关键技术程 东1,朱新河1,邓金文2(1.大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026; 2.中国船级社广州分社,广州 510000)摘要:为建立精确的船用螺旋桨三维模型,采用UG Grip二次开发技术探讨了船用螺旋桨三维建模的关键技术,实现了对桨叶叶尖、导(随)边缘过渡、防鸣音随边、根部过渡等关键部位的合理处理,建立了精确的三维螺旋桨模型.关键词:船用螺旋桨;三维模型;UG G rip;防鸣音中图分类号:U664.31 文献标志码:AKey technologies for3D modeling of marinepropeller based on UG GripCHENG Dong,ZHU Xin-he,DENG Jin-wen(1.Marine Eng ineering College,Dalian M aritime University,Dal ian116026,China;2.Guangzhou B ranch,China ClassificationSociety,Guangzhou510000,China)A bstract:T o establish a precise3D model of marine propeller, the key technolo gies fo r3D modeling of marine propeller were studied by using UG G rip seco ndary development,and a precise 3D model with co rrect treatment of blade tip,fillets of leading edge and trailing edge,anti-singing edge and blade root fillets w as established.Key words:marine propeller;3D mo del;UG G rip;anti-sing ing0 引 言建立完善的船用螺旋桨三维模型是实现螺旋桨铸造过程模拟、铸造砂型制作、数控加工等工艺过程的关键和难点,也是实现螺旋桨强度分析、特性分析的基础.国内不少学者对螺旋桨的三维造型方法进行了研究[1-4],但所建模型均未涉及叶尖、导(随)边缘过渡、防鸣音处理、根部过渡等关键技术.目前常用的三维模型设计软件主要有Pro E、UG NX、MDT 等.其中,UG NX(UG)是当今世界上先进的、紧密集成的、面向制造业的三维CAD CAM CAE高端软件之一,被众多制造商广泛应用于工业设计、工程仿真和数字化制造等领域.尤其是UG Grip的二次开发功能为用户提供了方便和功能扩展的空间.因此,本文拟采用UG Grip的二次开发技术自动实现螺旋桨的三维建模,并对桨叶的边缘和根部等关键部位进行合理处理,以建立精确的船用螺旋桨三维模型.1 船用螺旋桨三维建模的关键技术1.1 螺旋桨三维造型方法螺旋桨三维建模时,通常先建立桨叶的模型,再进行桨毂的造型,然后进行两者之间的过渡连接.桨叶的形状由轮廓参数和型值参数决定.桨叶轮廓参数主要包括截面半径、螺距、后倾值(角)等.图1 桨叶截面参数图1为桨叶截面型值参数示意图.图中C为叶截面型宽,CLE为导边到基线的距离(辐射参考系的距离),SS为吸力面型值点到螺距线的距离,PS 为压力面型值点到螺距线距离.造型时先构造出压力面和吸力面曲线,再对导边和随边进行过渡圆角处理.其中RLE、R TE为导边和随边的过渡圆角半径,Y TE、Y LE为过渡圆圆心到螺距线的距离.建立三维模型时,需将二维型值点转换为三维空间坐标点,再在立体空间中构造出桨叶的各个截面轮廓,然后利用BSURF命令构造出整个桨叶的外表面.三维空间坐标转换公式如下[5]:x=r cos((l-h tan)cosr)收稿日期:2009-08-25.作者简介:程 东(1972-),男,安徽宿州人,博士,副教授,E-mail:chddmu@.y =r sin ((l -h tan )cosr )z =P θ2π+h cos -r tan φθ=(l -h tan )cosr其中:r 为切面半径;h 为型值点到螺距线的距离;l为型值点到基线的距离; 为螺距角;φ为后倾角;P 为螺距.螺旋桨工艺型值参数较多,人工输入较为繁琐.为此,可事先将上述参数存入一个tx t 文件,然后利用FETCH 命令在执行程序时读出上述数据,便可实现模型的自动建立.1.2 导边、随边过渡圆的处理螺旋桨叶片切面运转于非均匀的尾流场中,叶切面边缘处圆弧的大小对螺旋桨的性能有极大的影响,特别对空泡性能的影响较大.因此螺旋桨边缘的圆弧处理正确与否,将严重影响螺旋桨的性能.通常设计单位只提供螺旋桨轮廓参数和叶面型值参数,桨叶边缘部分没有型值点参数,只有过渡圆角半径和圆心,且各个半径处的圆角半径各不相同.本文在二维坐标系统中首先根据各截面型值点构造出上下表面曲线,然后通过FILLET 指令根据已知的过渡圆角半径和圆心构造出过渡曲线.导边、随边过渡圆的圆心坐标分别为(RLE ,YLE )、(C -R TE ,Y TE ),如图2(a )所示.最后对过渡曲线进行离散处理,生成若干个点作为圆角部位的型值点[图2(b )],以便于与叶面、叶背的型值点拟合出各个半径处封闭的截面曲线.图2 桨叶边缘的过渡圆1.3 随边抗鸣音处理鸣音产生的主要原因是桨叶随边产生的漩涡频率恰好与桨叶的固有频率相近,使叶片发生弹性振动.常用的抗鸣音处理方法有:①加厚法:将桨叶随边中部加厚,使由桨叶随边发出的一系列漩涡引起的振动频率低于桨叶本身的固有频率.②减薄法:将桨叶随边中部减薄,使由桨叶随边发出的一系列漩涡引起的振动频率高于桨叶本身的固有频率.③特殊构造法:特殊构造法有多种,可以在随边部分粘贴一排小圆块,或把桨叶随边做成锯齿形,或者将桨叶的随边做成抗鸣音边.本文采用的抗鸣音边如图3所示.造型时先根据型值参数求出点A (0,TE 2)、点B (0,-TE 2)和m 点坐标(C -X TE ,0),通过m 点做一条垂直螺距线chord 的直线M 1M 2,求出直线M 1M 2与该截面的上下两条叶面曲线的交点M 1和M 2,连接M 1A 和M 2B ,对该两条直线进行离散,并在该两条直线上各选取4个点作为新的型值点.图3 抗鸣音边1.4 桨叶根部的过渡处理完成叶根的过渡处理,建立一个完善的螺旋桨三维模型是实现后期数控加工和应力分析的基础.图4 桨叶根部的过渡为减少应力集中,设计时叶根部有时采用两个过渡半径.图4中,R I 为第一过渡半径,H 为该半径的过渡起始处;R II 为第二过渡半径.当只有一个过渡半径时,R I =0.另外,多数大型螺旋桨设计时只给出最大截面的过渡半径R 0,而实际沿周向不同区域的过渡半径值不同.结合实际生产经验,本文所采用的过渡半径变化规律如图5所示(叶面、叶背相同).所122 大连海事大学学报 第35卷 形成的桨叶根部的过渡曲面如图6所示.图5 过渡半径R沿根部的变化图6 根部的过渡曲面1.5 桨叶尖部的处理上述方法所形成的三维桨叶模型的尖部并没有实现密封.为形成完整、封闭的三维实体,为后续的螺旋桨模型特性分析奠定基础,必须对桨叶的尖部进行合理处理.首先将导边和随边的边缘轮廓线过渡连接,形成如图7所示的桨叶尖端曲线,然后利用导边过渡曲线、随边过渡曲线、压力面曲线、吸力面曲线及桨叶尖端的过渡曲线,根据SSURF 命令形成桨叶尖端表面.图7 桨叶尖端曲面的形成方法1.6 模型特性分析将上述形成的桨叶尖部、桨叶表面及根部的过渡曲面缝合,并进行复制旋转.绘制完桨毂后形成的三维螺旋桨模型如图8所示.在此基础上可利用ANLSIS 命令进行螺旋桨的特性分析,计算其体积、重量,为螺旋桨铸造工艺参数的确定奠定基础.图8 三维螺旋桨模型2 结 论本文采用UG Grip 二次开发技术探讨了船用螺旋桨三维建模的关键技术,实现了对桨叶叶尖、导(随)边缘过渡、防鸣音随边、根部过渡等关键部位的合理处理,建立了精确的三维螺旋桨模型,为船用螺旋桨的三维建模提供一条有效的途径,也为船用螺旋桨的制造、加工和特性分析奠定了基础.参考文献(References ):[1]张振金,薛兆鹏.利用U G G RIP 构建螺旋桨三维数字模型[J ].现代制造工程,2009(2):52-55.[2]李艳聪,郑清春,薛兆鹏.基于UG Grip 的螺旋桨三维设计技术研究[J ].天津理工学院学报,2003,19(1):40-43[3]张宏伟,王树新,侯 巍,等.螺旋桨三维建模方法研究[J ].机床与液压,2006(5):60-63.[4]谢云平,张 伟,李 娟.基于NA PA 的螺旋桨几何造型和图形生成方法研究[J ].江苏科技大学学报:自然科学版,2009,23(1):9-12[5]姚 山,麻春英,徐艳丽,等.复杂曲面船用螺旋桨铸造工艺三维参数化设计[J ].铸造,2006,55(10):1004-1006.123第4期 程 东,等:基于UG Grip 的船用螺旋桨三维建模关键技术 。
螺旋桨三维建模方法研究
摘要 : 推导了螺旋桨叶切面处局部坐标系到全局坐标系的坐标变换公式 , 并提出了相应的坐标点计算程序设计方法 , 在此基础上用实例介绍了在 Pro / ENGINEER绘图环境下的螺旋桨三维实体建模过程 。
关键词 : 螺旋桨 ; 坐标变换 ; 三维建模 中图分类号 : TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2006) 5 - 060 - 3
下的 Through Points选 项 , 然
后由底至顶逐点选取所生成
曲线族的端点 。至此完 成 了
螺旋桨空间边界曲线图 , 如
图 3 所示 , 面向我们观察方
向的为叶面方向 。
(5) 利用边界曲线图生 成螺旋桨桨叶曲面图 。边 界
(Boundaries) 是 曲 面 绘 制 经 常用到的方法 , 使用边界命
模型 。
最终生成的螺旋桨实体模型如图 4所示 。 4 结论
本文推导了螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标 系的坐标转换公式 。从而解决了将图谱提供的空间叶 切面的几何数据应用到三维 CAD 造型过程之中的问 题 , 使整个造型过程变得简便直观 , 因此具有一定的 普遍意义 。
对于螺旋桨曲面创建过程 , 基于本文提出的方 法 , 可以简便地完成造型过程 , 可操作性强 。据此 , 对于常用的叶型 , 利用二次开发工具可以编制灵活而 实用的螺旋桨参数化设计制图软件 , 进而生成系列化 的螺旋桨 , 极大地提高了效率 。
Begin curve ! 2
1 11. 178253 166. 646916 40. 834568
2 15. 222363 166. 326269 40. 122382
不同纵倾角螺旋桨三维建模及水动力性能分析
不同纵倾角螺旋桨三维建模及水动力性能分析裴海鹏;刘荣【摘要】螺旋桨是一种效率较高、结构简单的水下推进器,广泛应用于水下机器人的推进机构.为了优化螺旋桨的水动力性能,对螺旋桨纵倾角进行了研究.依据螺旋桨基本参数、各切面形状尺寸及坐标转换公式,计算出螺旋桨叶面型值点的空间坐标,并创建螺旋桨三维模型,对其建立流体计算域,再通过计算流体力学仿真C FD对螺旋桨的推力系数、转矩系数和敞水效率进行数值模拟.获得螺旋桨表面的压力分布情况,通过分析比较得出,螺旋桨纵倾角的改变对其敞水性能的影响较小,在主要参数中不占主导地位.【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》【年(卷),期】2018(038)002【总页数】6页(P78-83)【关键词】螺旋桨纵倾角;三维建模;数值模拟;水动力性能【作者】裴海鹏;刘荣【作者单位】杭州电子科技大学机械工程学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学机械工程学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】U664.330 引言水下机器人是水下探索必不可少的设备，其动力核心是螺旋桨推进机构。
深入研究螺旋桨各参数的改变对其水动力性能的影响，对提高推进机构的敞水性能至关重要。
螺旋桨主要参数有螺距比、叶切面拱度、纵倾角等，有学者研究螺旋桨螺距变化对其水动力性能的影响，其研究表明增大螺旋桨的螺距比会使其推力、转矩和效率增大[1]；也有研究人员发现了轴所在的深度不同，螺旋桨的水动力性能也会有所差异[2]；还有学者在研究叶切面拱度后，得出了减小叶切面拱度会导致其转矩、推力变小，不过能够提高其抗空泡性能与敞水效率。
提高螺旋桨的性能仍是一个不断追求的过程，需要从各个方面进行深入研究。
查阅国内外大量文献并调研螺旋桨相关市场发现，目前对螺旋桨纵倾角研究少，但该参数不管是对其水动力性能还是对遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，ROV)稳定运行都有一定的影响，对其研究分析是有必要的。
基于ICEM的船用螺旋桨建模方法研究
软件，介绍了坐标变换原理，演示了船用桨从二维到三维 常规模型参数化绘制，例如正方形、圆柱等[8]。
图建模的具体过程；王欢等[6]详细推导了坐标转换的公 2 基本公式推导
式，同时利用Pro/E和SolidWorks两款软件分别建模。刘勇
螺旋桨三维模型的准确建立关键在于得到叶剖面各
杰等[7]采用基于CATIA软件，进行了二次开发，能够完成 个控制点在全局坐标中的三维坐标值。为了得到这些坐
型值点的快速导入，手动绘制了三维实体模型。
标值，我们通常需要用到螺旋桨的三维坐标变换。
在现有的船用螺旋桨建模方法研究中，众多学者的
为了描述桨叶的外形轮廓，通常的做法是引入螺旋
方法大体可以分为以下三个步骤:1)进行二维型值点到三 桨的不同的视图，一般从船后向船首看时所看到的称为
维空间坐标的转换；2）在三维软件中实现点、线、面的手 正视图，从侧面看到的称为侧视图。图1所示为一普通螺
制。该方法高效、方便，能够为今后的螺旋桨建模以及优化设计提供一定的指导意见。
关键词：ICEM；螺旋桨；建模；高效 中图分类号:U 661
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）0远原园092原园3
Research on Modeling of Marine Propeller Based on ICEM
目前，孙娜等[3]采用Pro/E三维软件进行了螺旋桨的三 点数据；3）具备完善的几何修改修建功能，能够快速地检
维建模；安邦等[4]采用Matlab完成坐标转换，借助SolidWorks 测修补几何模型中存在的缝隙、孔等瑕疵，可以方便地在
对螺旋桨三维模型展开了建模；徐晓栋等[5]采用AutoCAD 模型中完成必需的几何元素（点、线、面）；4）提供快捷的
面向CFD的螺旋桨逆向三维曲面建模方法
螺旋 桨二 维 总 图包 括侧 视投 影 图、 视 投 影 正
２１
第 ４期
船
海
１ 程 ：
第 ４ 卷 １
轮廓 图和伸 张轮 廓 图 ， 它们 在 二 维空 间 中描 述螺
全能 满 足 建 模 需 求 。 同 时 作 为 一 个 高 端 设 计 软
收 稿 日期 ：０ １ ０ ０ ２ １ — ６— １
修 回 日期 ：０ １ ０ ２ ２ １ — ６— ８
件， 又将设 计 和 有 限 元及 Ｃ Ｄ结 合 在 一 起 ， 立 Ｆ 建 的三 维 螺 旋 桨模 型可 以直 接导 入 Ｃ Ｄ软 件 进行 Ｆ
资助项 目： 公益性 （ 农业 ） 科研专项
第 一 作 者 简 介 ： 艳 龙 （９ ５一）， ， 士 生 王 １８ 男 硕
水动 力数 值分 析 ， 方便 易行 ， 给设 计人 员带 来 了极
大 的方便 。
１２ 影像 逆 向 ．
研究方 向： 导管螺旋桨 的优化设计及船机桨匹配
Ｅ・ ａｉ： ｎｇ ａ ｏ ｇ ０ ｍ ｌ ｗａ ｙ ｎｌｎ ２ ０９＠ １ ６３． ｏ ｃｒ ｎ
第４卷 １
第 ４期
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ０Ｃ ＨＩ ＥＡＮ Ｅ ＮＧＩ ＥＥ ＮＧ Ｎ ＲＩ
Ｖｏห้องสมุดไป่ตู้ Ｎｏ ４ １ ４１ ． Ａｕｇ ２ ２ ． ０１
２１ ０ ２年 Ｏ ８月
ｄ ｉ１ ． ９ ３ ｊ ｉ ｎ １ ７ －９ ３ ２ １ ． ４ ０ ５ ｏ ：０ ３ ６ ／ ． ｓ ． ６ １７ ５ ． ０ ２ ０ ． ０ ｓ
面 向 Ｃ Ｄ的螺 旋 桨逆 向三维 曲面 建模 方 法 Ｆ
王艳龙 。 陈 明
（ 大连理工大学 船舶 工程 学院 ， 宁 大连 １６ ２ ） 辽 １０ ４ 摘 要： 针对螺旋桨三维外形的曲面特征 ， 结合 螺旋桨 二维 图绘 制方法 和 Ｃ ＴＡ中曲面逆 向设计方法 ， ＡＩ
三维曲面建模 ------- 螺旋桨
三维曲面建模实验报告实验名称：螺旋桨三维曲面建模班级： 100601班姓名：谢志平学号：10060132指导老师：宋伟一、实验目的1．掌握曲面建模方法。
2. 复习飞行器基本知识。
二、实验设备1．硬件：笔记本电脑一台；2．软件：操作系统windows8.1rtm ；绘图软件CATIA V5R20。
三、实验内容1．三维曲面建模概述曲面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构成曲面的一种建模方法。
建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，这些组成面可以使用上面介绍的方法构成一个个基本的曲面元素。
然后通过这些曲面元素的拼接，就构成了所要的曲面。
在计算机内部，曲面建模的数据结构只需要在线框建模的基础上建立一个面表，即曲面是由哪些基本曲线构成。
一般常用的曲面生成方法：线性拉伸面、直纹面、旋转面、扫描面等。
2．操作步骤1)启动CATIA2）进入“创成式外形设计”操作界面，新建零部件3）选取x-z平面，进入草绘如图4)选取横轴，进行360°三维旋转曲面1如图5）选取y-z平面，进入草绘如图6）退出草绘，进入曲面拉伸如图7）拉伸完毕后，再次进入z-x平面进行草绘3如图8）继续z-x平面进行草绘4如图9)选择投影定义功能，选择草图4沿着y轴投影如图11)同理，选择投影定义功能，选择草图3沿着y轴投影如图13）如图，创建平面114)选取相交功能，将提取4与平面1进行相交如图15）在平面1上进行草绘5如图16) 如图创建直线4如图17）同理，创建平面218)在新创建的平面2上进行草绘619）退出草绘后，选择多截面曲面功能，选择草图5、6、7，引导线为之前的提取线3、4如图20）创建平面3如图21）选择多重输入相交功能，将平面3 与提取线3、4相交于两点22）在平面3上进行草绘7 如图23）同理，在平面1上进行草绘824）选择草绘8 进行曲面拉伸25）选择拉伸3曲面和旋转曲面移除分割如图26)选择草绘8 进行180°的关于轴线旋转如图27）对旋转廓1进行曲面拉伸28）同理选择拉伸4和旋转曲面1进行移除分割29）选择多截面曲面1进行180°的关于轴线的旋转30）隐藏部分点线面后，最后结果如图31）保存文件四：总结这次上机操作主要是运用创成式曲面设计的一些新的功能。
螺旋桨UG建模
由桨叶截面尺寸表得到三维建模坐标直径D螺距P后倾角θ螺距角φ1、 计算出0.2R 、0.3R ……2、 利用反正切函数计算出螺距角：以0.2R 举例φ-0.2R=ATAN(P/(2*π*0.2R))，弧度表示φ-0.2R/π*180°或用=DEGREES(φ-0.2R)函数，角度表示3、 中心线距导边-最厚点距导边=中心线距最厚点=H X4、 h X =最厚点距导边-X5、 计算0.2R-0坐标注：h X =最厚点距导边-X ；H X =中心线距导边-最厚点距导边=中心线距最厚点6、叶梢坐标7、通过延伸插值得到0.1R处的叶宽、最大叶厚、最大叶厚至导边、中心线至导边，再用第5步计算。
螺旋桨UG中建模1、导入三维坐标2、连接样条曲线，随边点-导边点-随边点；连接螺旋桨轮廓3、将螺旋桨轮廓打断于叶梢点：编辑-曲线-分割曲线，类型选“在结点处”，选择曲线，结点方法选“选择结点”，确定。
或者采用添加点然后重新绘制两条样条曲线的方式，添加点：插入-基准/点，选择几何体中选择要添加点的样条曲线，等弧长定义中点数输入需要的点即可。
4、建立螺旋桨包面：主曲线—叶梢点+桨叶切面；次曲线—随边+导边+随边。
5、将桨叶表面封闭起来：插入-网格曲面-N边曲面-外环选择曲线即可裁去上述封闭曲面多余部分：修剪片体-目标选择片体-边界对象选择边界曲线-选择区域保留！6、桨叶片体缝合：插入-组合-缝合，选择需要缝合的片体即可7、阵列桨叶：阵列特征-选择特征（选桨叶包面）-布局（选圆形）-旋转轴（选桨榖对称轴）-角度方向（间距选数量和节距，数量选叶数，节距角为360/n），确定。
阵列后可能所有桨叶多余的片体都要修剪—此功能好像不成功或者采用旋转功能：编辑-移动对象-运动选角度-角度72°-结果复制原先的-非关联副本数48、建立桨榖。
目测回转的曲线为拍照CAD得到。
回转-选择曲线-指定矢量（选桨榖对称轴）-其他默认即可。
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局坐标系中的三维坐标 ,
其中 每 条 曲 线 有 13 个
点。
3 螺旋桨曲面造型过
程
下面 以 盘 面 比 为
35%的 B 型三叶螺旋桨
为 例 , 以 Pro / ENGI2
NEER 为 绘 图 软 件 , 对
螺旋 桨 曲 面 三 维 造 型 过
程进行了详细讲解 。 Pro / ENGINEER 提
条线的首尾两点为重合点 。
(3) 在螺旋桨叶梢部位曲线缩为一点 , 此处切
面弦长和最大厚度都为零 , 导边和随边重合 。这时图
谱提供的 叶 梢处 辐射 基 线至 随 边的 长度 即 为 公 式
( 6) 中的 L。
整个程序的流程如
图 2所示 。
最终得到 16条曲线
(叶面 8 条 , 叶背 8 条 )
的离 散 点 和 叶 梢 点 在 全
Begin curve ! 2
1 11. 178253 166. 646916 40. 834568
2 15. 222363 166. 326269 40. 122382
3 16. 619980 166. 192432 40. 068769 ………… 其中 Open A rclength为 Pro / ENGINEER 的关键词 。 Begin curve ! 后面的数字代表曲线序号 , 每行的起始 数字代表各条曲线上点的序号 , 其后面的 3个数分别 为此点的 X、 Y、 Z 坐标 。 该文件用 W indows记事本创建后保存为 3 . ilb 格式即可生成 。 (2) 获得的坐标点生成 16 条基准曲线 (Datum
·60·
《机床与液压 》20061No15
螺旋桨三维建模方法研究
张宏伟 , 王树新 , 侯巍 , 何漫丽
(天津大学机械工程学院 , 天津 300072)
摘要 : 推导了螺旋桨叶切面处局部坐标系到全局坐标系的坐标变换公式 , 并提出了相应的坐标点计算程序设计方法 , 在此基础上用实例介绍了在 Pro / ENGINEER绘图环境下的螺旋桨三维实体建模过程 。
X′
U
Y′ = V + L sinφ
(3)
Z ′ W + L cosφ
其中
L =L1 - L2 式中 : L1 为导边至基线长度 , L2 为最厚处至基线长 度。
将其转换到原点与 O 点重合的柱坐标系 ( R i, Ψ, Z ) 中 , 可得 :
X′
U
Y′ = R i sinψ
(4)
Z ′ W + L sinφ
X1
1
0
0U
Y1 = 0 cosφ sinφ V
(1)
Z1
0 - sinφ cosφ W
由 ( 1) 式可得 :
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本文提供的螺旋桨三维实体建模方法是实用而切 实可行的 。 参考文献 【1】郭永崧 , 董国祥. 现代船用螺旋桨设计应用程序研究
[ J ] 1交通部上海船舶运输科学研究所学报 , 2001, 24 (2) : 71 - 77. 【2】张佐厚 , 胡志安. 船舶推进 [M ] 1国防工业出版社 , 1980112. 【3】盛振邦 , 等. 中国船用螺旋桨图谱集 [M ] 1中国造 船 , 198314. 【4】林清安. Pro / ENGINEER2000 i2 零件设计 [M ] 1清华 大学出版社 , 200117. 作者简介 : 张宏伟 (1976—) , 男 , 博士研究生 。研究 领域 : 智能机器人技术 。电话 : 022 - 87401637, E - mail: zhanghongweitrue@ eyou1com。
对于三维建模来说 , 螺旋桨曲面型值计算的任务 是通过导出绘制螺旋桨曲面所需的所有型值点的空间 坐标与已知设计条件之间的关系式 , 再用此式计算得 到计算机辅助设计软件绘图所能直接使用的曲面基准 点坐标值 , 进而为数控加工程序的生成工作做准备 。
已知螺旋桨基本参数 , 且已知螺旋桨各叶切面的 形状尺寸 , 即已知辐射基线至随边 、辐射基线至导 边 、切面弦长 、切面最大厚度 、切面最厚处至导边的 尺寸和不同半径处切面纵坐标 。
下的 Throughຫໍສະໝຸດ Points选 项 , 然后由底至顶逐点选取所生成
曲线族的端点 。至此完 成 了
螺旋桨空间边界曲线图 , 如
图 3 所示 , 面向我们观察方
向的为叶面方向 。
(5) 利用边界曲线图生 成螺旋桨桨叶曲面图 。边 界
(Boundaries) 是 曲 面 绘 制 经 常用到的方法 , 使用边界命
Keywords: Propeller; Transformation of coordinates; 3D modeling
0 引言 螺旋桨是目前船用推进器中效率较高 、应用最广
寸表等数据绘制出正投影图 , 侧投影图和伸张轮廓 图。
的一种 。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增多 。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 。在已知螺旋桨几何参数 的情况下 , 购买和使用大型船舶 CAD 系统必然会显 著地增加成本 。本文利用坐标变换方法获得螺旋桨曲 面型值空间坐标 , 再使用计算机辅助设计软件生成曲 面 , 从而提供了一种简便实用的螺旋桨三维建模方 法。 1 基于坐标变换方法的螺旋桨曲面型值的计算
供了包括高级曲面特征
图 2 曲面型值点坐 标计算流程
创建在内的完善的命令体系 , 并拥有方便的曲线 三维空间点文件读入和空间基准曲线生成功能 。
具体的造型过程如下 : (1) 用上面获 得 的坐 标 点创 建 一个 Pro / ENGI2 NEER 能够识别的 3 1 ibl格式文件 , 为后面创建基准 曲线时坐标点资料的读入做准备 。其格式样例如下 :
图 3 螺旋桨空间 边界曲线图
令提供的混成曲面 (B lended
Surf) 方式能够很方便地完
成桨叶曲面造型 , 得到 3 个
光滑曲面 : 叶面 、叶背 、和
叶根面 。然后将 3 个曲面使
用 Merge ( 合并 ) 命令合并 成封闭曲面 , 再用实体生成 命令将封闭曲面转换为实体
图 4 螺旋桨的 Pro / ENGINEER实 体模型
( 1) 计算各个同心圆柱面的半径 R i 和相应半径 情况下的螺旋角 φ。图谱提供的 R i 序列值为螺旋桨 半径的 012 ～1 倍 , 步长为 011。这样 , 在纵斜角已
知的情况下 , 通过循环计算可以得到各叶切面在基线
上的位置 。
( 2) 确定图谱提供的叶切面的面线和背线的各
离散点在 O1 X1 Y1 Z1 坐标系中的横纵坐标值 。如 B 型 桨叶图谱分别为面线和背线提供了 13 个点 , 其中两
(6)
Y1 sinφ + Z1 cosφ + L sinφ - R i tanθ
式 ( 6) 即为曲面型值点的局部坐标到全局坐标
的转换公式 。
2 螺旋桨曲面型值点坐标编程计算
在已知螺旋桨基本参数和各叶切面几何参数的情
况下 , 由式 ( 6) , 通过计算机编程就可以很方便地
得到螺旋桨所有曲面型值点坐标 。其过程要点如下 :
关键词 : 螺旋桨 ; 坐标变换 ; 三维建模 中图分类号 : TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2006) 5 - 060 - 3
Research on 3D M odeling of Propeller
ZHANG Hongwei, WANG Shuxin, HOU W ei, HE M anli
图 1 螺旋桨投影原理图 螺旋桨总体的造型设计是以桨叶的基本投影原理 为基础的 。不同半径的同心圆柱面与桨叶相截得到一 系列的叶切面 。 传统的螺旋桨手工作图法的几何视图表达方式是 根据螺旋桨图谱提供的桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺
坐标系中的坐标值的坐标变换式 。
图 1中 OH 为基线 。θ为纵斜角 , 螺旋角为 φ。 全局坐标系 OXYZ的 OXY平面与螺旋桨轮毂端面平 行 。O′点为基线与圆柱面的交点 , 坐标系 O ′X′Y′Z′ 与 OXYZ平行 。坐标系 O1 X1 Y1 Z1 中 , O1 Z1 轴经过叶 切面 的 最 厚 处 , O1 点 为 螺 旋 线 与 叶 切 面 的 切 点 。 O1UVW 坐标系的规定如图 1 ( b) 中所示 。O1UVW 坐标系可以通过一次旋转与 O1 X1 Y1 Z1 坐标系重合 , 由此可得 :
选取坐标原点后 , 在自动弹出的 open 对话框中选择 刚才生成的 ibl文件 , 螺旋桨叶切面曲线族将自动生
成并显示在屏幕上 。
( 3) Datum / Point (基 准 点 ) 模 式 下 选 用 Offset
Csys (坐标偏移 ) 方式生成叶梢点 。
(4) 生成螺旋桨叶空间
轮廓曲线 。选择 Datum /Curve
( School of M echanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The coordinate transformation formula of transform ing the local coordinates of the points on the section p lane of p ropel2 ler to global coordinates was deduced, and the method of develop ing the p rogram according to the formula was introduced1 An examp le of Propeller 3D Modeling was p resented based on Pro / ENGINEER1