基于CATIA的船用螺旋桨三维建模方法
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 。
基于CAD与CATIA二次开发的船体快速建模方法-卢雨
引用格式：卢雨, 顾朱浩, 王瑞宇. 基于CAD 与CATIA 二次开发的船体快速建模方法[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(6):121–127.LU Y, GU Z H, WANG R Y. Rapid hull modeling methodology based on CAD and CATIA secondary development[J].Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(6): 121–127.基于CAD 与CATIA 二次开发的船体快速建模方法卢雨*1，顾朱浩1，王瑞宇21 大连海事大学 船舶与海洋工程学院，辽宁 大连 1160262 中国兵器工业集团航空弹药研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150001摘 要:［目的］在使用CATIA 创建船体模型的过程中，人为因素较大且工序繁杂。
为快速量取船舶型值、采用型值快速化三维建模，给出一种快速、高效的船舶建模设计方法。
［方法］基于CAD 与CATIA 平台，运用面向用户的VB 和Java 语言，通过自动化接口连接CAD 与CATIA 模块对二者进行联合二次开发，以量取船舶各型线型值并转换为三维坐标点，快速建立三维型线，生成船体曲面。
通过2个算例，验证二次开发程序的效率及可靠性。
［结果］结果表明，所编写的二次开发程序可在CAD 中将二维型线快速转化为三维型值点，并在CATIA 中创建横剖线、纵剖线及半宽水线，实现了快速三维建模的功能。
［结论］从2种不同船型的绘制结果可见，使用多平台协同设计技术具有多阶段建模、关联模型的技术特点，可以提高模型质量和绘制效率，极大地方便了用户使用。
关键词：快速化建模；VB 语言；CATIA ；CAD ；船体型线中图分类号: U662.2文献标志码: ADOI ：10.19693/j.issn.1673-3185.01865Rapid hull modeling methodology based on CAD andCATIA secondary developmentLU Yu *1, GU Zhuhao 1, WANG Ruiyu21 Naval Architecture and Ocean Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China2 Air Ammunition Institute Co., Ltd. NORINCO Group, Harbin 150001, ChinaAbstract : ［Objectives ］In the process of creating a hull model using CATIA, human factors are large and the process is complicated. In order to quickly measure the ship's offsets and adopt them to quickly 3D model-ing, this paper presents a ship modeling design method, which can improve the efficiency and accuracy of ship modeling.［Methods ］Based on the CAD and CATIA platforms, using user-oriented VB and Java languages,the CAD and CATIA modules are connected through an automated interface, and the two are jointly de-veloped to measure offsets of hull form and convert to three-dimensional coordinate points, quickly establish a three-dimensional hull line, and generate a hull surface. Through two examples, verify the efficiency and reli-ability of the secondary development program.［Results ］The results show that the secondary development program written can quickly convert the two-dimensional hull line to three-dimensional offset points in CAD,and create cross-section lines, vertical section lines, half-width waterlines in CATIA to achieve rapid three-di-mensional construction modular function.［Conclusions ］From the drawing results of the two different ship hull form in this article, it can be seen that the use of multi-platform collaborative design technology in this art-icle has the technical characteristics of multi-stage modeling and related models, and the improvement of mod-el quality and rendering efficiency, which is extremely user-friendly.Key words : rapid modeling ；VB language ；CATIA ；CAD ；hull form收稿日期: 2019–12–26 修回日期: 2020–05–19 网络首发时间: 2020–06–17 16:02基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目（51809029）；国家部委基金资助项目（61402070106）；辽宁省自然科学基金博士科研启动计划资助项目（2019-BS-025）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（3132019306）作者简介: 卢雨，男，1988年生，博士，讲师。
CATIA设计实例教程
CATIA设计实例教程在CATIA中，一个常见的机械设计实例是创建一个螺旋结构。
在本教程中，我们将展示如何使用CATIA创建一个螺旋结构的三维模型。
以下是该实例的详细步骤：1.打开CATIA软件，并选择“新建文件”创建一个新的设计文件。
2. 在工作区中选择“Part Design”模块，并选择“创建新零件”。
3.在零件设计界面中，选择“草图”工作平面，然后选择“参考平面”创建一个圆形草图。
4.使用“画圆”工具在草图平面上绘制一个圆形。
选择圆的半径和位置，并点击“完成”来创建草图。
5.在草图设计界面中选择“旋转”操作，然后选择圆形草图作为旋转轴。
6.输入旋转的角度，可根据需要进行调整，然后点击“确定”来完成旋转操作。
7.通过调整零件尺寸和形状，可以进一步完善螺旋结构的设计。
可以使用拉伸、剪切、倒角等工具进行设计调整。
8.在完成设计之后，选择“文件”-“保存”来保存螺旋结构的设计文件。
通过以上步骤，我们可以在CATIA中创建一个简单的螺旋结构模型。
CATIA还提供了丰富的设计功能和工具，可以进一步完善和优化设计。
除了基本的设计功能外，CATIA还提供了其他功能和模块，如装配设计、绘图生成、表面设计等，可以满足不同设计需求。
通过学习CATIA的各个模块和功能，读者可以更好地应用CATIA进行机械设计。
总结：CATIA是一款非常强大的三维CAD设计软件，具有丰富的设计功能和工具。
通过学习实例教程，可以更好地了解CATIA的应用和功能。
希望本文的实例教程对读者有所帮助，能够为读者在CATIA设计软件上的学习和应用提供一些指导和启示。
一种基于CATIA V6软件的船体外板板架三维生成方法
一种基于CATIA V6软件的船体外板板架三维生成方法龚丞; 赵超; 陈先胤; 王伟【期刊名称】《《船海工程》》【年(卷),期】2019(048)006【总页数】4页(P20-23)【关键词】船体外板板架; CATIA; 二次开发【作者】龚丞; 赵超; 陈先胤; 王伟【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011【正文语种】中文【中图分类】U662.1近年来，随着设计软件的不断发展，三维设计技术已逐渐成为提高船舶研制效率和改进产品质量的重要手段，国内在船舶设计制造领域先后引入了TRIBON、NAPA、FORAN、CATIA等三维设计软件，并获得了初步成效[1-4]。
但在船体外板结构设计方面，目前仍然以二维图纸为主，不仅效率较低，而且难以克服传统外板二维设计过程中存在的视角单一、线型重叠不易分辨以及部分区域曲率较大导致的构件定位、重量不精确等问题。
为此，考虑基于CATIA V6软件平台，建立一种在三维环境下直接设计生成船体外板结构的方法，通过二次开发结合软件自身的功能，完成船体外板板架的自动检查，提高外板结构设计的效率和准确性。
1 三维环境下船体外板板架设计方法1.1 设计准备船体外板板架设计是船体结构设计的重要组成部分，涉及外板板的排列和外板骨架中纵向、横向构件的布置(见图1)，包括平板龙骨、船底板、舭列板、舷侧板、舷顶列板等区域的划分和板厚的确定，底桁材、龙骨、底部及舷侧纵骨、肋板、肋骨及加强筋等的布置形式和尺寸的选取等。
通常情况下，外板板架设计需要参考总布置图、型线图、按设计规范制定的计算书,以及基本的结构图纸等技术资料。
在三维环境下，外板板架的设计工作需要将前期的船体外壳表面、各甲板、平台、舱壁的布置以及相关的结构设计要求作为依据。
图1 船体外板板架形式1.2 CATIA中外板板架的设计方法首先,需要建立各肋位平面以及甲板、平台、纵舱壁等重要的分舱表面与船体外壳的交线，作为下一步骨架布置和外板划分的基础。
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。
一种基于CATIA二次开发的船体外形建模方法
第46卷第4期2017年8月船海工程SHIP&OCEAN ENGINEERINGVol.46 No.4Aug.2017D01：10.3963/j.issn. 1671-7953.2017.04.017一种基于C A T IA二次开发的船体外形建模方法刘勇杰，胡勇，郑绍春(武汉理工大学a.高性能船舶技术教育部重点实验室；b.交通学院，武汉430063)摘要:为了快速得到船体三维外形，以某11 〇〇〇DWT散货船为例，运用CATIA二次开发技术，简化重 复性建模工作，精简建模操作流程，较快得到比较理想的船体三维外形。
详细介绍船体外形型值点、外形样条 曲线和外表面的创建方法。
关键词:船体外形;CATIA;二次开发;VBA; Excel中图分类号:U662 文献标志码:A 文章编号：1671-7953(2017)04-0077~05在实际建模过程中，往往要进行许多重复性 的操作，这在船体三维外形设计中也不例外。
而 且，船体外形在总体设计阶段需要经常修改[1]，这为传统建模方法增加了很大工作量和难度。
因此，如何快速有效的建立船体三维外形是一个亟 待解决的问题。
C A T I A广泛应用于航空[M]、造船[4_5]、汽 车[67]等众多行业，是世界上领先的产品设计与创 新方案解决平台[8]。
其中，CATIA V5开放了很 多接口，提供了很好的二次开发平台，在船体外形 设计方面也有一定的的研究应用，如采用进程内 VBScript脚本编程方式完成了船体的建模工作[9];采用进程外V B编程方式完成了球首的参 数化建模设计[1°]。
但是，这部分工作所述方法程 序开发环境智能化程度低，使用不方便，如没有代 码提示、语法高亮显示等功能;或者由于软件版本 参差不齐，影响接口之间的通信，增加了开发的难 度。
因此，提出采用进程内V B A脚本编程方法来 完成船体三维外形建模工作。
1CATIA二次开发技术通过编程来访问C A T I A的对象有很多种不 同的方法[11]，见表1。
一种基于CATIA_V6_的轴系三维设计方法
0引言船舶推进轴系将主机产生的功率传递到推进器，并将推进器的推力传递到船体从而使船舶运动，由传动轴、联轴节、支撑轴承、减速齿轮箱、艉轴密封装置等组成。
针对轴系的设计，依据船舶总体设计需求，确定推进轴系的布置和各部件的尺寸及材料，设计出能安全、平稳完成各种工况下的推进任务[1]。
船舶推进轴系的重要性使其在船舶设计的各个阶段都需要做出频繁调整，在传统CAD 图纸设绘过程中，每次方案的调整，都会导致各视图出现信息互不对应，件号错乱的情况，需花费设计者更多的时间校对图面信息[2]。
船舶行业目前正在积极开展三维设计推进工作[3]，船舶轴系作为船舶设计重要组成部分，针对船舶轴系三维建模的研究具有一定参照意义。
分级骨架，创建关联的建模方式，将船舶轴系模型建模过程模块化，各模块之间通过建立参数联系，可实现从上至下的建模流程，简化计算工作量。
并且在后续轴系方案发生变更时，可在判断变更模块后，针对性修改骨架及模型，结合出图二次开发，能够实现更改某一参数，其余模块自动更新的建模方式，大大降低了轴系三维建模的工作量，也提高了模型质量。
1轴系设计特点船舶轴系的设计贯穿船舶设计始终，故而应探究轴系零部件设计特点，结合船舶轴系特点，应用CATIA 三维设计软件有针对性解决其高效建模问题。
船舶轴系零部件在结构上有以下特点：①主要零部件多为中心旋转体，具有轴线或对称面，可提供很好的主尺度定位依据。
②其余零件大多在依附轴段装配，可由轴段轴线确定其安装位置。
船舶轴系零部件的结构特点为船舶轴系三维设计提供有利条件[4]。
轴系设计输入条件，包括依据船体型线、主机参数、螺旋桨参数、船体结构、主机位置、螺旋桨位置、尾管、轴支架位置等来确定轴系布置草图。
在轴系设计过程中，包括了轴径、轴法兰、连接螺栓、轴套、螺旋桨轴尾锥部尺寸的计算。
其中轴径的计算依据为推进型式、轴传递额定功率及此时轴的额定转速、轴材料抗拉强度以及设计特性系数等；轴系的长度与轴的布置有关，而轴法兰、连接螺栓、轴套、螺旋桨轴尾锥部等部件的设计则需要以轴径作为设计输入，轴承距离则需要轴径与轴长度同时作为设计输入。
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第４７卷㊀第４期２０１８年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀船海工程ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４７㊀Ｎｏ.４Ａｕｇ.２０１８㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１８.０４.０２０基于ＣＡＴＩＡ的船用螺旋桨三维建模方法刘勇杰１ꎬ徐青２ꎬ胡勇１ꎬ郑绍春１(１.武汉理工大学交通学院ꎬ武汉４３００６３ꎻ２.广州文冲船厂有限责任公司ꎬ广州５１０７２７)摘㊀要:针对船用螺旋桨三维外形较复杂的特点ꎬ提出一种基于ＣＡＴＩＡ平台的坐标变换的船用螺旋桨三维建模方法ꎬ给出由叶切面局部坐标系到全局坐标系的变换公式ꎬ采用Ｅｘｃｅｌ快速完成数据处理ꎬ用ＶＢ.ｎｅｔ语言对ＣＡＴＩＡ进行二次开发ꎬ完成桨叶曲面型值数据的读取与批量导入ꎬ最终快速得到螺旋桨三维模型ꎬ该方法柔性好㊁效率高ꎬ可以根据不同设计参数快速得到对应的螺旋桨三维模型ꎬ并对模型进行优化处理ꎮ关键词:船用螺旋桨ꎻ三维建模ꎻＣＡＴＩＡꎻＥｘｃｅｌꎻ二次开发中图分类号:Ｕ６６４.３３㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１￣７９５３(２０１８)０４￣００８４￣０４收稿日期:２０１７－１０－１７修回日期:２０１７－１１－１５基金项目:国家自然科学基金项目(５１３７９１６７)第一作者:刘勇杰(１９９２ )ꎬ男ꎬ硕士生研究方向:船舶先进制造技术㊀㊀为了满足设计中不断改进ꎬ制造中节约成本ꎬ一次成型的需求ꎬ关于快速有效的船用螺旋桨三维建模方法研究集中在不需要计算ꎬ完全利用二维图 缠绕 变换来生成螺旋桨三维曲面[１]ꎻ基于ＣＡＴＩＡ软件平台ꎬ将二维图进行 逆向投影 的螺旋桨三维曲面建模[２]ꎻ通过坐标变换将变换后的螺旋桨曲面型值点导入Ｐｒｏ/Ｅ中得到光滑曲面ꎬ进而得到螺旋桨实体模型[３￣４]ꎻ设计螺旋桨二维图形和三维实体之间转换的代码[５]ꎬ等方面ꎮ为了避免传统几何建模方法的手工操作量大的缺点ꎬ结合坐标变换自动化的思想ꎬ提出一种基于ＣＡＴ￣ＩＡ二次开发和坐标变换的船用螺旋桨三维建模新方法ꎮ１㊀ＣＡＴＩＡ软件平台概述ＣＡＴＩＡ软件提供了多种二次开发的接口ꎬ其中包括自动化对象编程(Ｖ５Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ)和开放的基于构件的应用编程接口(ＣＡＡ)ꎮ其中ꎬＡｕｔｏ￣ｍａｔｉｏｎ开发模式可以完成绝大部分开发工作ꎬ只有少部分不足之处才采取ＣＡＡ开发方式进行补充ꎮＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ开发模式又可分为以下几种ꎮ１)ＶＢＡＰｒｏｊｅｃｔꎮ采用ＣＡＴＩＡ提供的ＶＢＡ集成开发环境进行程序设计ꎬ属于ＣＡＴＩＡ进程内ꎬ能够设计窗体界面ꎬ且可以方便地把生成的程序添加到ＣＡＴＩＡ工具条中ꎮ２)ＣＡＴＩＡ宏脚本ꎮ采用ＶＢＳｃｒｉｐｔ语言编写代码ꎬ可以把程序集成到ＣＡＴＩＡ工具条中ꎬ但脚本程序的输入输出功能较弱ꎬ无法实现复杂的交互界面ꎮ３)其他脚本语言ꎮ采用ＶＢＳｃｒｉｐｔ㊁ＪａｖａＳ￣ｃｒｉｐｔ㊁Ｐｙｔｈｏｎ等语言编写代码ꎬ在ＣＡＴＩＡ以外执行(进程外)ꎬ可以写成短小灵活的代码集成到其他应用中ꎮ４)高级语言ꎮ采用ＶＢ.ｎｅｔ㊁Ｃ＃等高级语言编写代码ꎬ可以制作比较复杂的交互界面ꎬ利用.ｎｅｔ优势简化复杂业务流程设计任务ꎮ２㊀螺旋桨建模螺旋桨的主要参数包括纵斜角(后倾角)㊁螺距比㊁盘面比㊁母线到叶片随边的距离㊁母线到叶片导边的距离㊁叶片宽度㊁叶片厚度㊁导边至最厚点的距离和螺旋桨叶切面尺寸表等ꎮ２.１㊀二维型值点计算以直径为０.２５ｍ的ＭＡＵ４－４０型的模型螺旋桨为实例ꎬ根据ＭＡＵ型螺旋桨桨叶轮廓尺寸表(见表１)计算得到模型螺旋桨的伸张轮廓尺寸ꎬ包括叶片宽度Ｗ(以最大叶片宽度的％表示)㊁母线到叶片随边的距离Ｌ１㊁母线到叶片导边的距离Ｌ２㊁叶片厚度Ｔ(以螺旋桨直径的％表示)㊁导边至最厚点的距离Ｌ３(以叶片宽度％表示)等ꎮ根据ＭＡＵ型叶切面尺寸表(见表２)计算得到不同半径叶切面的二维型值点ꎬ以上数据组成了传统二维图纸中的数据信息ꎮ由表１㊁２中参数的排布规律可知ꎬ选择Ｅｘｃｅｌ４８表１㊀ＭＡＵ螺旋桨桨叶轮廓尺寸表ｒ/ＲＷＬ１Ｌ２Ｌ３Ｔ０.２０６６.５４２７.９６３８.５８３２.０４.０６０.３０７７.７０３３.４５４４.２５３２.０３.５９０.４０８７.０８３８.７６４８.３２３２.０３.１２０.５０９４.３４４３.５４５０.８０３２.５２.６５０.６０９９.１１４７.９６５１.１５３４.９２.１８０.６６１００.００４９.７４５０.２６３７.９１.９００.７０９９.６４５１.３３４８.３１４０.２１.７１０.８０９２.９２５２.３９４０.５３４５.５１.２４０.９０７３.６２４８.４９２５.１３４８.９０.７７０.９５５５.６２４２.０７１３.５５５０.００.５４１.００－１７.２９－－０.３０㊀㊀表２㊀改进ＭＡＵ型叶切面尺寸表ｒ/Ｒ＝０.２０ＸＹｏＹｕＸＹｏＹｕ０３５.００４０.００９７.５２.００５１.８５２４.２５５０.００８９.９５４.００５９.７５１９.０５６０.００７８.１５６.００６６.１５１５.００７０.００６３.１５１０.００７６.０５１０.００８０.００４５.２５１５.００８５.２５５.４０９０.００２５.３０２０.００９２.２０２.３５９５.００１５.００３０.００９９.８０１００.００４.５０３２.００１００.００㊀注:Ｘ－叶切面轮廓型值点横坐标ꎬＹｏ－叶背纵坐标ꎬＹｕ－叶面纵坐标ꎮ工具进行数据的计算处理和保存十分方便ꎮ２.２㊀型值点坐标变换根据螺旋桨的二维图制图原理和螺旋桨的几何特征给出螺旋桨叶切面型值点由二维变换到三维的变换公式[６]ꎮＸ＝ＲｉｃｏｓＹ１ｃｏｓφ－Ｚ１ｓｉｎφ＋ＬｃｏｓφＲｉæèçöø÷Ｙ＝ＲｉｓｉｎＹ１ｃｏｓφ－Ｚ１ｓｉｎφ＋ＬｃｏｓφＲｉæèçöø÷(１)Ｚ＝Ｙ１ｓｉｎφ＋Ｚ１ｃｏｓφ＋Ｌｓｉｎφ－Ｒｉｔａｎθ式中:Ｒｉ为不同叶切面所处圆柱面的半径值ꎻＬ为参考线至最厚点的距离ꎻφ为螺旋角ꎻθ为纵倾角ꎻＹ１㊁Ｚ１为中间局部坐标系中任一点坐标值ꎮ由于坐标系的定义方式不同ꎬ将叶切面尺寸坐标值适应到以上计算公式中需换算ꎮＹ１＝ｙ－Ａ－Ｌ(２)Ｚ１＝ｚ㊀㊀㊀㊀(３)式中:ｙ㊁ｚ是由叶切面尺寸表得到的初始坐标值ꎻＡ为导边至母线的距离ꎮ将以上公式进行编辑添加ꎬ融入前述二维型值点数据保存的Ｅｘｃｅｌ文档中ꎬ能够快速计算得到相应的三维型值点坐标值ꎬ并以和叶切面尺寸表相同的格式进行保存ꎬ便于后续读取ꎮ２.３㊀叶切面型值点批量导入在ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１０中采用ＶＢ.ｎｅｔ语言编写坐标点批量导入程序ꎬ读取保存在Ｅｘｃｅｌ里的型值点坐标值数据ꎬ在ＣＡＴＩＡ中生成描述螺旋桨叶曲面的型值点ꎮＶＢ.ｎｅｔ语言属于高级语言ꎬ使用该语言编写代码访问ＣＡＴＩＡ属于进程外访问ꎮ相比于进程内访问的二次开发方法进行批量导入[７]ꎬ进程外访问需要注意以下２点ꎮ１)建立与ＣＡＴＩＡ的通信连接ꎮ要想访问ＣＡＴＩＡ内部的对象ꎬ首先要与ＣＡＴＩＡ进行通信连接ꎬ对Ｅｘｃｅｌ中保存的型值坐标值的读取也是相同道理ꎮ使用ＧｅｔＯｂｊｅｃｔ或者ＣｒｅａｔｅＯｂｊｅｃｔ功能函数来创建连接ꎮ其中ꎬＧｅｔＯｂｊｅｃｔ功能函数是在ＣＡＴＩＡ软件启动的状态下创建连接ꎬＣｒｅａｔｅＯｂｊｅｃｔ功能函数是在ＣＡＴＩＡ软件未启动的状态下首先启动软件然后创建连接ꎮ代码如下ꎮＯｎＥｒｒｏｒＲｅｓｕｍｅＮｅｘｔＣＡＴＩＡ＝ＧｅｔＯｂｊｅｃｔ(ꎬ"ＣＡＴＩＡ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ")ＩｆＥｒｒ.Ｎｕｍｂｅｒ<>０ＴｈｅｎＣＡＴＩＡ＝ＣｒｅａｔｅＯｂｊｅｃｔ("ＣＡＴＩＡ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ")ＣＡＴＩＡ.Ｖｉｓｉｂｌｅ＝ＴｒｕｅＥｎｄＩｆ２)添加ＣＡＴＩＡ编程接口引用ꎮ在ＶＢ.ｎｅｔ中操作ＣＡＴＩＡＣＯＭ(ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｂｊｅｃｔｍｏｄｅｌꎬ部件对象模型)对象ꎬ需要为程序添加ＣＡＴＩＡ编程接口的引用ꎮ因为在Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ中ꎬ每个对象都包含在某个接口中ꎬ而只有引用了相关接口后ꎬ才能操作对应的对象ꎮ在Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ帮助文档中ꎬ可以很方便地查看某个对象所对应的接口ꎬ如Ｐａｒｔ￣Ｄｏｃｕｍｅｎｔ对象ꎬ在Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ中点击相应页面上方的 ＴｈｉｓＦｒａｍｅｗｏｒｋ 命令可以查询到其对应的接口为ＭｅｃＭｏｄＩｎｔｅｒｆａｃｅｓＦｒａｍｅｗｏｒｋꎮ在程序代码的最开始ꎬ使用Ｉｍｐｏｒｔｓ方法对涉及到的接口依次声明引用ꎬ然后编写后面的功能代码ꎮ设计的桨叶曲面型值点批量导入程序界面见图１ꎮ通过输入所保存型值点首末点在Ｅｘｃｅｌ单元格中的行序和列序值ꎬ可以按需自动批量导入生成一系列三维型值点ꎮ最终生成的型值点云图见图２(曲线为后续手动添加)ꎮ５８图１㊀型值点批量导入程序界面图２㊀桨叶曲面型值点云图２.５㊀桨叶切面轮廓光顺在ＣＡＴＩＡ的ＧＳＤ(ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｓｈａｐｅｄｉｓｉｇｎ)模块中对曲线进行曲率分析ꎮ对桨叶轮廓某２条曲线进行曲率分析的结果见图３ꎮ从图３能够很直观地看到ｒ＝０.２Ｒ处的叶切面轮廓线不够光顺ꎬ因为由曲线曲率半径所组成的曲率梳不光滑ꎬ在靠近导边一侧有明显的突变ꎬ需要进行调整ꎮ而ｒ＝０.８Ｒ处的叶切面轮廓线的曲率半径组成的曲率梳都很光滑ꎬ故该曲线光顺性较好ꎬ不必修改ꎮ通过对图４中选项的调节ꎬ可以让分析结果以不同的形式展现出来ꎬ使结果的表现更加直观ꎬ如曲率值和曲率半径值的切换㊁曲率梳的密度㊁特殊曲率值的显示等ꎮ通过对每根轮廓线进行曲率分析ꎬ对不光顺曲线进行调整ꎬ为后续生成光滑的桨叶曲面做铺垫ꎮ图３㊀叶切面轮廓曲线曲率分析２.６㊀桨叶曲面光顺性检验将所有叶切面轮廓曲线㊁随边和导边进行光顺后ꎬ就可以构建桨叶曲面了ꎮ并且ꎬ构建的桨叶曲面的光顺性可以进一步通过ＣＡＴＩＡ软件中图４㊀箭状曲率分析对话框ＦｒｅｅＳｔｙｌｅ模块下丰富的曲面分析功能进行检验ꎮ基于光照模型的２种比较直观的曲面分析方法的分析结果见图５ꎮ图５㊀斑马线分析图由图５不难看出ꎬ靠近桨毂端的斑马线比较平滑ꎬ而叶稍附近的斑马线则波动较大ꎬ即叶稍附近的曲面不够光顺ꎬ需要返回对构成它的曲线进行进一步调整光顺ꎮ利用命令分析得到的结果见图６ꎮ原理是将系统中默认的名为 ｂｅａｃｈ 的图片上的景物映射到曲面上ꎬ通过判断映射到曲面上景物的纹理的光滑度判断曲面的光顺性ꎮ同图５ꎬ容易看出在叶稍附近景象的纹理出现了扭曲ꎬ不光滑ꎬ因此可以判断出此处曲面光顺性较差ꎬ需要调整ꎮ２.７㊀螺旋桨模型的生成螺旋桨是由桨叶和桨毂两部分组成ꎮ光滑的桨叶曲面(见图７ꎬ包括页面㊁叶背和叶根曲面)构建好后ꎬ进一步生成桨叶实体(见图８)ꎬ通过圆形阵列ꎬ得到４个桨叶实体ꎬ然后根据桨毂相关设计参数ꎬ绘制桨毂实体ꎬ最终得到螺旋桨三维模型ꎬ见图９ꎮ６８图６㊀环境映射分析图图７㊀桨叶曲面图８㊀桨叶实体图９㊀螺旋桨实体３㊀结论本方法避免了传统螺旋桨三维建模方法的繁复的手工操作ꎬ充分展现了ＣＡＴＩＡ软件灵活的二次开发方式以及该软件在曲面造型方面的强大功能ꎮ并且ꎬ由于ＣＡＴＩＡ软件同其他分析软件(如ＦｌｕｅｎｔꎬＡｂａｑｕｓ等)有很好的数据兼容性ꎬ使得本方法生成的船用螺旋桨三维模型具有极大的重用性ꎬ可以为后期的水动力性能分析㊁强度校核等提供方便ꎮ参考文献[１]陈彦勇ꎬ夏雨.螺旋桨三维建模方法探讨[Ｊ].船舶工程ꎬ２００６ꎬ２８(１):２１￣２４.[２]王艳龙ꎬ陈明.面向ＣＦＤ的螺旋桨逆向三维曲面建模方法[Ｊ].船海工程ꎬ２０１２ꎬ４１(４):２１￣２３ꎬ２８.[３]姚震球ꎬ高慧ꎬ杨春蕾.螺旋桨三维建模与水动力数值分析[Ｊ].船舶工程ꎬ２００８(６):２３￣２６.[４]吴利红ꎬ董连斌ꎬ许文海.基于ＭＡＴＬＡＢ和ＰｒｏＥ的螺旋桨三维建模[Ｊ].大连海事大学学报ꎬ２０１１ꎬ３７(２):１７￣２０.[５]ＳＨＡＭＳＩＲꎬＳＯＨＥＩＬＩＳꎬＨＡＭＯＯＮＩＡＡ.２Ｄａｎｄ３Ｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍａｒｉｎｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ[Ｃ].ＭａｒｉｎｅＩｎ￣ｄｕｓｔｒｉｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２００８.[６]张宏伟ꎬ王树新ꎬ侯巍ꎬ等.螺旋桨三维建模方法研究[Ｊ].机床与液压ꎬ２００６(５):６０￣６２.[７]刘勇杰ꎬ胡勇ꎬ郑绍春.一种基于ＣＡＴＩＡ二次开发的船体外形建模方法[Ｊ].船海工程ꎬ２０１７(４):７７￣８１.３ＤＭｏｄｅｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓｏｆＭａｒｉｎｅＰｒｏｐｅｌｌｅｒＢａｓｅｄｏｎＣＡＴＩＡＬＩＵＹｏｎｇ￣ｊｉｅ１ꎬＸＵＱｉｎｇ２ꎬＨＵＹｏｎｇ１ꎬＺＨＥＮＧＳｈａｏ￣ｃｈｕｎ１(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＷｕｈａｎ４３００６３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＧｕａｎｇｚｈｏｕＷｅｎｃｈｏｎｇＳｈｉｐｙａｒｄＣｏＬｔｄꎬＧｕａｎｇｚｈｏｕ５１０７２７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅａｎｄｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍａｒｉｎｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒꎬａ３ＤｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｒｉｎｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＣＡＴＩＡｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｆｒｏｍｔｈｅｌｏｃａｌｃｏｏｒｄｉ￣ｎａｔｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｓｅｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｇｌｏｂａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｗａｓｇｉｖｅｎ.ＩｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｒａｐｉｄｌｙｉｎＥｘｃｅｌ.ＢｙＣＡＴ￣ＩＡｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＶＢ.ｎｅｔꎬｔｈｅｒａｐｉｄｉｎｐｕｔｔｉｎｇａｎｄｂａｔｃｈｉｍｐｏｒｔｉｎｇｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｓｕｒｆａｃｅｖａｌｕｅｄａｔａｗｅｒｅａ￣ｃｈｉｅｖｅｄꎬｓｏａｓｔｏｓｅｔｕｐｔｈｅ３Ｄｐｒｏｐｅｌｌｅｒｍｏｄｅｌｑｕｉｃｋｌｙ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔꎬａｎｄｔｈｅ３Ｄｐｒｏｐｅｌｌｅｒｍｏｄｅｌｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｑｕｉｃｋｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍａｒｉｎｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒꎻ３ＤｍｏｄｅｌｉｎｇꎻＣＡＴＩＡꎻＥｘｃｅｌꎻｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ７８。