基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化建模方法与实现

SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.32 No.4 2010 总第32卷，2010年第4期基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化建模方法与实现唐英1，王志坚1，杨凯2（1．北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2．中国电子科技集团公司第45研究所，三河 065201）摘 要：船用螺旋桨的建模方法是将二维初始型值点导入通用CAD软件，通过多步操作得出三维空间数据，完成整个造型过程.这种方法不但操作繁琐，而且效率低.在研究了船用螺旋桨参数化建模方法的基础上，采用对UG进行二次开发的方法，编制出船用螺旋桨参数化建模的功能模块.通过给定船用螺旋桨的主要几何参数，计算出初始型值点，进行坐标变换，将其从平面坐标系还原到空间真实位置.另外给出桨叶叶梢缺失部分数据的NURBS拟合补充方法，并在进行光顺处理后，最终生成船用螺旋桨的三维模型.关键词：船用螺旋桨；UG二次开发；自由曲面；参数化建模中图分类号：U664.33 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2010) 04-0052-04Parametrical Modeling Method and Implementation of MarinePropeller Based on UG SoftwareTANG Ying1, W ANG Zhi-jian1, Y ANG Kai2(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Science and Technology University, Beijing 100083, China; 2.The 45thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Sanhe 065201, China)Abstract:Marine propeller is a type of part with free-form surface. Traditional modeling method of marine propeller needs to export the origin data into CAD software, converting the origin 2D point data to the 3D point data after several steps and then complete the modeling process. This method is time-consuming and inefficiency.With parametrical modeling technology, functional package for marine propeller modeling based on UG software is developed and introduced in the paper. In the developed package, some key structural parameters of marine propeller are inputted firstly and then the 2D point data and the 3D surface data are calculated automatically. To build the 3D model of the propeller part, firstly the coordinate transformation operation from a 2D coordinate system to a 3D reference system is needed to recover the points in its 2D drawing to their true position in 3D model. And then, point data at the tip of propeller are added with NURBS fitting method. After smoothing calculation of the surface, the 3D model of the marine propeller is completed.Key words: marine propeller; UG Software; free-form surface; parametrical modeling0 引言船用螺旋桨是典型的自由曲面类零件，一般由桨叶和桨毂两部分构成.桨毂外形通常较为简单，是近似的圆锥体或圆柱体，而桨叶形状非常复杂.除极少数情况外，桨叶形状无法用简单数学公式进行描述，而是用许多离散点的坐标值来表示，这种用来表示形状的离散点称为型值点.每个桨叶叶片的型值点通常多达数百个，有时甚至更多.从二维图纸的型值点到最终三维模型的建立，其间需经过偏移、旋转、生成曲线、生成曲面等多步操作.大量数值的计算处理工作和繁冗复杂的操作过程使船用螺旋桨建模过程不仅费时费力，且容易出现差错.鉴于目前针对船用螺旋桨设计建收稿日期：2009-10-27；修回日期：2010-01-20作者简介：唐英（1967-），女，副教授，博士后，主要从事机械制造与自动化方面的科研与教学工作.模的专用软件价格昂贵且适用面窄，本文在UG的基础上进行二次开发，开发出船用螺旋桨建模的专用功能模块.目的是在充分发挥UG强大功能优势的同时，回避通用软件操作繁琐复杂的弊端，降低对使用人员的技能要求，大幅缩短建模时间，提高工作效率.1 船用螺旋桨建模参数的选取[1]船用螺旋桨的主要参数包括直径、螺距（面螺距）、盘面比、桨叶切面类型、叶数、毂径比和后倾角等，它们共同决定了船用螺旋桨的形状.直径：船用螺旋桨无前后运动的旋转时，桨叶最外端形成的圆形轨迹直径称为船用螺旋桨直径，以D 表示（R表示半径）.它是确定船用螺旋桨大小的直接参数，并且和其它参数一起，决定船用螺旋桨的形状.螺距：船用螺旋桨桨叶叶面通常是螺旋面的一部分.如果叶面是等螺距螺旋面的一部分，则称为等螺距船用螺旋桨，反之称为变螺距船用螺旋桨.AU型船用螺旋桨是等螺距螺旋桨，螺距以P表示.盘面比：盘面比也是描述船用螺旋桨形状的一个重要参数，以a E表示.盘面比的大小实质上表示桨叶宽窄程度.在相同叶数下，盘面比越大，桨叶越宽.桨叶切面：与船用螺旋桨轮毂共轴的圆柱面与桨叶相截所得的截面称为螺旋桨叶切面，简称叶切面，它决定了船用螺旋桨叶片的局部形状，一般都是将其从圆柱面展为平面后给出轮廓尺寸.不同类型的船用螺旋桨，其叶切面轮廓有所不同.对于AU系列船用螺旋桨主要分AU、MAU、AU W、MAU W四种类型.叶数：普通船用螺旋桨常为3~6个叶片.一般情况下，各个桨叶形状完全相同且沿圆周方向等间距分布.以Z表示，则每两个相邻叶片之间间隔弧度均为2π/Z.毂径比：轮毂直径和船用螺旋桨直径的比值称为毂径比，以d h/D表示.AU型船用螺旋桨的毂径比一般取0.18，即d h = 0.18D.后倾角：后倾角目的在于增大桨叶与船体的间隙，以减小船用螺旋桨诱导的船体振动，以ε表示.后倾角不能取得过大，通常小于15°，本文计算时取ε=10°.因此，可以选取直径、螺距、盘面比、叶数、桨叶切面类型这几个重要参数，作为船用螺旋桨参数化建模中允许用户给定的参数.2 建模流程图1为船用螺旋桨三维建模的流程图.通过选取和输入船用螺旋桨的主要参数，即船用螺旋桨类型（包括叶数和桨叶切面类型）、直径、螺距和盘面比的数据，程序在后台自动进行数据的计算和处理，最终生成船用螺旋桨的三维模型.图1 船用螺旋桨三维建模流程2.1 二维型值点的计算选取和输入船用螺旋桨的主要参数后，利用螺旋桨要素表、桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表[1]，即可计算出母线到叶片随边的距离、母线到叶片导边的距离、叶片宽度、叶片厚度、导边至最厚点的距离及各个叶切面型值点的二维坐标值，这些数据就是传统二维图纸中给出的数据信息.2.2 型值点的坐标转换二维型值点是不可以直接用于三维建模的，因为它们都是在局部平面坐标系内的数值.因此，首先需要将各半径处的叶切面二维平面型值点还原到对应的三维空间坐标系中，就是将各切面对应“缠绕”到与桨毂共轴线的圆柱面上去.对于船用螺旋桨型值点从平面局部坐标系到空间全局坐标系的坐标变换公式，张宏伟等给出了详细推导过程[2]，这里简述该数学模型的建立方法并直接引用其推导结果.如图2所示，R i为某一叶切面对应半径，OH为基线，φ为螺距角，θ为纵斜角，因为通常情况下桨叶都向后倾斜，所以此处的纵斜角就是基本参数中的后倾角.坐标系OXYZ是全局坐标系，OXY平面与轮毂平面平行.O1X1Y1Z1坐标系与OXYZ平行，O1点为基线与圆柱面的交点.坐标系O2X2Y2Z2中，O2点为螺旋线与叶切面的切点，O2Z2轴经过叶切面厚度处.O2UVW坐标系的规定如图2中所示（U轴垂直于纸面，故在图中未标出），该坐标系可以通过旋转与O2X2Y2Z2坐标系重合.M 为叶切面轮廓上任意一点，A 点为O 1在圆柱底面的投影点，B 点为M 在圆柱底面的投影点.图2(b)为圆柱面展开而成的平面，其中M 1、A 1、B 1分别与图2(a)中的M 、A 、B 点相对应.Ψ为图2(a)中AB 所夹劣弧对应的圆心角，劣弧AB 的长度与图2(b)中线段A 1B 1的长度相等.图2 船用螺旋桨坐标变换原理图式（1）~式（3）为根据图2中几何模型推导出的坐标变换公式，可以将桨叶型值点由平面局部坐标转换成为空间全局坐标.式中L 为导边至最厚处的长度，即线段O 1O 2的长度.通过带入相关数据进行计算，即可完成坐标转换过程，得到各切面处型值点的三维空间坐标.()22cos cos sin cos i i X R Y Z L R φφφ=−+⎡⎤⎣⎦（1）()22sin cos sin cos i i Y R Y Z L R φφφ=−+⎡⎤⎣⎦（2）22sin cos sin tan i Z Y Z L R φφφθ=++− （3） 2.3 叶顶叶根型值点的计算对于AU 系列船用螺旋桨来说，二维图纸中的叶切面尺寸表包括从0.2R ~0.95R 共9个切面的数据，通过计算得到的三维型值点缺少0.95R 以上的叶稍部分数据和0.2R 以下至轮毂处的数据，故不能生成完整的桨叶曲面.这两部分缺失的型值点可用下述方法计算得出：将各叶切面叶面部分的两个端点数据提取出来，加上一个叶梢尖点坐标数据，采用NURBS 样条将这些点拟合成一条空间曲线[3]，进而对该条曲线0.95R 至叶梢的曲线段离散成若干型值点，以此作为叶面叶梢部分的型值点；对于0.2R 以下至轮毂缺失的叶面部分，可添加一定半径的圆弧数据点，以实现叶面根部与轮毂间的平滑过渡，这样做符合加工图纸中的实际要求.叶背曲面的情况和叶面曲面处理方法完全相同.这样就有了决定桨叶表面形状的所有空间型值点. 2.4 桨叶的光顺从几何造型的角度来说，计算出所有的空间型值点，就可以得到满足造型所需的全部数据信息.但是，从船用螺旋桨设计和加工的实际要求出发，造型结果必须满足对工件表面光滑程度的要求，因此，允许在一定范围内对其表面进行光顺处理.光顺后生成的曲面会与光顺前的空间型值点产生偏离，必须对其偏离程度进行检验以确保精度.2.5 生成三维模型分别拟合出叶面和叶背曲面之后，将叶片进行缝合、填充，再生成一个轮毂.然后通过圆周阵列的方法，围绕轮毂生成数个完全相同的桨叶.通过上述五个环节，就基本完成了船用螺旋桨的参数化造型工作.当然，还可以根据实际需要，对叶面与叶背曲面交界处进行圆角处理，构造其它细节特征.3 二次开发功能模块设计本文在UG 基础上进行二次开发定制专用功能模块.UG 作为大型通用CAD/CAE/CAM 集成化软件之一，目前广泛应用于各个行业中[4].UG 不是针对特定产品开发出的专用软件，因此难以很好地应对船用螺旋桨造型方面的工作需求，从而导致建模过程操作繁冗复杂，效率低下.如果以UG 软件为平台开发出专用模块，则可在很短的时间内完成建模工作.本文设计的功能模块用户界面如图3所示.该对话框通过UG/Open UIStyler 创建.图3 船用螺旋桨建模功能模块界面在用户界面首先选择船用螺旋桨类型，再输入螺旋桨直径、螺距、盘面比这些参数，单击“生成单个叶片型值点”按钮，程序就会自动调用对应的UG/Open API 函数，通过后台计算，生成所有二维和三维型值点数值.与此同时，程序后台会将数据保存至本地磁盘，用户可以根据需要，对指定目录下存放的数据文件进行修改.经核对无误后，单击“生成螺旋桨立体模型”按钮，程序会自动读取本地磁盘内的数据文件，Z YX O Z 2Z 1 X 1Y 1 X 2Y 2O 2 O 1 R 1 Z 2 Y 2Y 1Z 1 O 1 O 2M 1A 1 B 1V W A H B M (a)(b) Ψ θ φ完成三维模型的创建工作.图4中示意了桨叶叶面的构造过程，它包括三维型值点的生成、各切面型值点曲线的产生、叶顶曲线的补充以及光顺后的曲面生成几个部分.如2.4节中所述，为了保证最终生成的表面满足精度要求，需要对光顺后的曲面进行误差分析.将光顺前的三维型值点与光顺后生成的曲面导入Imageware 软件，该软件会计算出各型值点到曲面的距离，以各点距离中的最大值，作为误差进行精度评估.图5中显示的桨叶所属船用螺旋桨直径为4.74m ，根据比较结果可看出，光顺后生成的曲面与光顺前三维型值点的偏离值分布在4.8×10-4mm 到-5.26×10-4mm 之间.一般认为，造型精度应该比加工精度至少高一个数量级，参考国标中船用螺旋桨的加工精度要求[5]，对于直径为4.74m 的船用螺旋桨来说，由于光顺产生10-4mm 数量级的偏离误差完全能够满足造型精度的要求.图4 桨叶叶面的生成过程图5 Imageware 中显示的比较结果图6为在选择不同参数下分别生成的船用螺旋桨三维模型，这里轮毂部分用一个空心圆锥体来表示.实际上也可以根据需要，将轮毂设计成其它形式.图6 不同参数时生成的船用螺旋桨建模过程中用到的UG 主要函数及功能如下：UF_STYLER_ask_value ( )：获取用户界面中输入的参数值；UF_CURVE_create_point ( )：根据坐标值在UG 中生成点；UF_MODL_create_fitted_spline ( )：通过型值点拟合样条曲线；UF_CURVE_smooth_spline_data ( )：光顺样条曲线；UF_MODL_create_thru_curves ( )：依次通过曲线串生成曲面.4 结论本文通过详细介绍船用螺旋桨的几何参数和建模流程，系统阐述了船用螺旋桨的参数化建模方法，主要步骤包括二维型值点的计算、型值点的坐标转换、叶顶叶根型值点的计算和桨叶的光顺，最终生成三维模型.并在UG 软件基础上，开发出专用的参数化造型功能模块.只需在用户界面上选择和输入相关参数信息，就可以快速生成船用螺旋桨的三维模型，经检验其精度远高于加工要求.该模块操作简单，功能实用，大大提高了船用螺旋桨的建模效率.参考文献：[1] 盛振邦, 刘应中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2004.[2] 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): 60-62.[3] 施法中. 计算机辅助几何设计与非均匀有理B 样条[M].北京: 高等教育出版社, 2001.[4] 侯永涛, 丁向阳. UG/Open 二次开发与实例精解[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.[5] GB 12916-91. 船用金属螺旋桨技术条件[S]. 北京: 中国标准出版社, 1992.类型：MAU4-40 直径：4m 螺距：3m 盘面比：0.4 类型：MAU5-80 直径：4m 螺距：4m盘面比：0.8类型：MAU6-55直径：4m 螺距：4m 盘面比：0.55 (a)各叶切面 空间型值点(b) 各叶切面型值点连成的曲线 (c) 补充缺失部分后所有叶切面曲线(d) 生成的叶面曲面（带光顺）。