基于CATIA的船用螺旋桨三维建模方法

第４７卷㊀第４期２０１８年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀船海工程ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀

Ｖｏｌ.４７㊀Ｎｏ.４

Ａｕｇ.２０１８

㊀㊀㊀

ＤＯＩ: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ꎮ

１㊀ＣＡＴＩＡ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ꎮ

１)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ꎮ

２)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ꎮ

３)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ꎮ

４)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ꎮ

２㊀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ꎮ

２.１㊀二维型值点计算

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Ｅｘｃｅｌ

４

８

表１㊀ＭＡＵ螺旋桨桨叶轮廓尺寸表

ｒ/Ｒ

Ｗ

Ｌ１

Ｌ２

Ｌ３

Ｔ

０.２０６６.５４２７.９６３８.５８３２.０４.０６０.３０７７.７０３３.４５４４.２５３２.０３.５９０.４０８７.０８３８.７６４８.３２３２.０３.１２０.５０９４.３４４３.５４５０.８０３２.５２.６５０.６０９９.１１

４７.９６５１.１５３４.９２.１８０.６６１００.００４９.７４５０.２６３７.９１.９００.７０９９.６４５１.３３４８.３１４０.２１.７１０.８０９２.９２５２.３９４０.５３４５.５１.２４０.９０７３.６２４８.４９２５.１３４８.９０.７７０.９５５５.６２４２.０７１３.５５５０.００.５４１.００

－１７.２９

－

－

０.３０㊀㊀

表２㊀改进ＭＡＵ型叶切面尺寸表ｒ/Ｒ＝０.２０ＸＹｏ

ＹｕＸ

Ｙｏ

Ｙｕ

０

３５.００４０.００９７.５

２.００５１.８５２４.２５５０.００８９.９５４.００５９.７５１９.０５６０.００７８.１５６.００６６.１５１５.００７０.００６３.１５１０.００７６.０５１０.００８０.００４５.２５１５.００８５.２５５.４０９０.００２５.３０２０.００９２.２０２.３５

９５.００

１５.００３０.００９９.８０

１００.００

４.５０

３２.００１００.００㊀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ꎮ

２.２㊀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]ꎮ

Ｘ＝ＲｉｃｏｓＹ１

ｃｏｓφ－Ｚ１ｓｉｎφ＋ＬｃｏｓφＲｉ

æèç

ö

ø÷

Ｙ＝ＲｉｓｉｎＹ１ｃｏｓφ－Ｚ１ｓｉｎφ＋ＬｃｏｓφＲｉ

æèç

ö

ø÷

(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ꎮ

Ｙ１＝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ꎮ

ＯｎＥｒｒｏｒＲｅｓｕｍｅＮｅｘｔ

ＣＡＴＩＡ＝ＧｅｔＯｂｊｅｃｔ(ꎬ"ＣＡＴＩＡ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ")ＩｆＥｒｒ.Ｎｕｍｂｅｒ<>０ＴｈｅｎＣＡＴＩＡ＝ＣｒｅａｔｅＯｂｊｅｃｔ("ＣＡＴＩＡ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ")

ＣＡＴＩＡ.Ｖｉｓｉｂｌｅ＝ＴｒｕｅＥｎｄＩｆ

２)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)ꎮ

５

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