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 No.4
2009年11月JournalofDalianMaritimeUniversityNov., 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 Grip;防鸣音
中图分类号:U664.31 文献标志码:A
Keytechnologiesfor3Dmodelingofmarine
propellerbasedonUG Grip
CHENGDong,ZHUXin-he,DENGJin-wen
(1.MarineEngineeringCollege,DalianMaritimeUniversity,
Dalian116026,China;2.GuangzhouBranch,ChinaClassification
Society,Guangzhou510000,China)
Abstract:Toestablishaprecise3Dmodelofmarinepropeller,
thekeytechnologiesfor3Dmodelingofmarinepropellerwere
studiedbyusingUG Gripsecondarydevelopment,andaprecise
3Dmodelwithcorrecttreatmentofbladetip,filletsofleading
edgeandtrailingedge,anti-singingedgeandbladerootfillets
wasestablished.
Keywords:marinepropeller;3Dmodel;UG Grip;anti-singing
0 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、UGNX、MDT
等.其中,UGNX(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、RTE为导边和随边的过渡圆角半径,YTE、YLE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=rcos(
(l-htan )cos
r
)
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@dl.cn.
y=rsin(
(l-htan )cos
r
)
z=
Pθ
2π
+hcos -rtanφ
θ=
(l-htan )cos
r
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txt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-RTE,YTE),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-XTE,0),通过m点做一条垂直螺距线chord的直线M1M2,求出直线M1M2与该截面的上下两条叶面曲线的交点M1和M2,连接M1A和M2B,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,RI为第一过渡半径,H为该半径的过
渡起始处;RII为第二过渡半径.当只有一个过渡半
径时,RI=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R0,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):
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型[J].现代制造工程,2009(2):52-55.
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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。
支持3D模型的船舶保养检验数据库系统关键技术研究的开题报告
支持3D模型的船舶保养检验数据库系统关键技术研究的开题报告一、研究背景及意义船舶保养检验工作是确保船舶运营安全和追求经济效益的重要环节。
船舶保养检验实施的主要目的是确保船舶结构完整性及其动力装置的正常运作。
在船舶保养检验中，数据收集和数据的存储、处理、分析是非常重要的一部分。
随着计算机技术的不断发展，船舶保养检验信息化技术一直是研究的热点。
传统的船舶保养检验方式基于2D图纸和文本信息来管理和存储船舶数据，这种方式存在着数据准确率低、数据更新困难、排版效果差等问题。
如何将3D船舶建模技术应用到船舶保养检验数据库系统中，是当前亟待解决的问题。
在一个船舶保养检验数据库系统中，采用3D船舶建模技术的优势显而易见。
它可以呈现出更加直观、更加真实的船舶结构和细节信息，同时提升了数据的准确性和可靠性，大大提高了数据采集和管理的效率。
与传统的2D图纸和文本信息管理方式相比，3D船舶建模技术更加优越，可以更好地满足船舶保养检验的需求。
因此，本文目的在于探讨3D模型的船舶保养检验数据库系统关键技术，以此提升船舶保养检验的数据采集、管理以及数据分析的能力，为船舶保养检验提供更为准确、便捷和有效的服务。
二、研究目标和内容研究目标：本文对3D模型的船舶保养检验数据库系统技术进行研究，主要研究的目标如下：1.研究并分析船舶保养检验数据库系统的现状及发展趋势，确定该系统建立的技术需求。
2.设计一种基于3D船舶建模技术的船舶保养检验数据库系统，在现有技术的基础上，进行二次开发，实现3D模型与数据库的集成，实现数据的采集、管理、分析系统。
3.通过对船舶保养检验数据库系统的应用实践，测试该系统的稳定性、可靠性和有效性。
研究内容：1.调研船舶保养检验数据库系统的现状和发展趋势，对3D建模技术在该系统中的应用进行分析和研究。
2.基于3D船舶建模技术，设计船舶保养检验数据库系统，实现3D模型与数据库的集成。
3.编写船舶保养检验数据库系统软件程序，实现数据的采集、管理、分析和展示。
船舶快速建模方案
船舶快速建模方案概述船舶建模是指通过模型来表达和描述船舶的各个部分和结构。
传统的船舶建模过程往往耗时且复杂，需要专业的建模工程师和大量的数据收集与处理。
然而，随着计算机技术的发展和虚拟现实技术的应用，船舶快速建模方案逐渐发展起来。
船舶快速建模方案利用先进的建模工具和方法，能够快速生成船舶的几何模型和结构信息，节省时间和资源。
船舶快速建模工具3D CAD软件在船舶建模方案中，3D CAD软件是必不可少的工具之一。
3D CAD软件可以提供强大的建模和设计功能，能够帮助工程师快速创建船舶的几何模型。
常见的3D CAD软件包括AutoCAD、SolidWorks和CATIA等。
通过这些软件，工程师可以根据船舶的设计要求和规格，进行快速而精确的建模。
船舶建模软件除了通用的3D CAD软件，还有一些专门用于船舶建模的软件。
这些软件提供了更加专业和精细的船舶建模功能，以满足船舶工程师的需求。
例如，Rhino船舶建模软件可以根据船舶设计要求，生成船体曲线和船体外形。
此外，Delftship软件提供了计算和优化船舶外形的功能，帮助工程师在设计初期就能够预测船舶的性能。
虚拟现实技术虚拟现实技术是船舶快速建模方案中的另一项重要技术。
虚拟现实技术可以通过计算机生成具有逼真感的虚拟环境，使船舶工程师能够直观地感受到船舶的设计效果。
通过搭载虚拟现实设备，工程师可以在模拟环境中体验船舶的外观和性能，并对设计进行优化和改进。
船舶快速建模方法参数化建模参数化建模是船舶快速建模方案中常用的方法之一。
参数化建模利用参数来描述船舶的几何特征，并通过调整参数值来改变船舶的外形。
通过使用参数化建模工具，工程师可以根据设计要求快速创建各种类型和规格的船舶模型。
此外，参数化建模还可以轻松地进行模型的变型和优化，提高建模的灵活性和效率。
基于零件库的建模基于零件库的建模是另一种常用的船舶快速建模方法。
该方法通过预先建立和组织一系列标准零件和模块，工程师可以快速组装出完整的船舶模型。
基于CATIA的船用螺旋桨三维建模方法
基于CATIA的船用螺旋桨三维建模方法刘勇杰;徐青;胡勇;郑绍春【摘要】针对船用螺旋桨三维外形较复杂的特点,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,给出由叶切面局部坐标系到全局坐标系的变换公式,采用Excel快速完成数据处理,用语言对CATIA进行二次开发,完成桨叶曲面型值数据的读取与批量导入,最终快速得到螺旋桨三维模型,该方法柔性好、效率高,可以根据不同设计参数快速得到对应的螺旋桨三维模型,并对模型进行优化处理.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2018(047)004【总页数】4页(P84-87)【关键词】船用螺旋桨;三维建模;CATIA;Excel;二次开发【作者】刘勇杰;徐青;胡勇;郑绍春【作者单位】武汉理工大学交通学院,武汉430063;广州文冲船厂有限责任公司,广州510727;武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U664.33为了满足设计中不断改进，制造中节约成本，一次成型的需求，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，完全利用二维图“缠绕”变换来生成螺旋桨三维曲面[1]；基于CATIA软件平台，将二维图进行“逆向投影”的螺旋桨三维曲面建模[2]；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，进而得到螺旋桨实体模型[3-4]；设计螺旋桨二维图形和三维实体之间转换的代码[5]，等方面。
为了避免传统几何建模方法的手工操作量大的缺点，结合坐标变换自动化的思想，提出一种基于CATIA二次开发和坐标变换的船用螺旋桨三维建模新方法。
1 CATIA软件平台概述CATIA软件提供了多种二次开发的接口，其中包括自动化对象编程(V5 Automation)和开放的基于构件的应用编程接口(CAA)。
其中，Automation开发模式可以完成绝大部分开发工作，只有少部分不足之处才采取CAA开发方式进行补充。
船舶总布置三维模型快速构建技术研究的开题报告
船舶总布置三维模型快速构建技术研究的开题报告一、选题背景及意义随着船舶建造工艺的不断发展和船舶设计的复杂性不断提高，传统的手工制图和二维绘制已经无法满足船舶设计和建造的需求。
而船舶三维模型的快速构建技术正是能够解决这一问题的有效手段。
通过利用计算机技术，可以快速、准确地建立船舶总布置的三维模型，有效提高船舶设计和建造的效率和质量。
因此，对船舶总布置三维模型快速构建技术的研究具有重要的理论和实践意义。
二、国内外研究现状目前，国内外关于船舶三维模型快速构建技术的研究已经取得了一定的进展。
国外主要采用计算机辅助设计软件实现船舶三维模型构建，其中最为常见的是Rhino、SolidWorks、CATIA等。
而国内研究较多侧重于采用CAD软件实现船舶三维模型的构建。
三、研究内容及方法本研究旨在研究船舶总布置三维模型的快速构建技术，主要研究内容包括：船舶三维模型构建的关键技术和方法、三维模型的优化方法以及应用案例分析等。
具体方法包括：收集相关文献资料，调研相关技术现状，分析船舶三维模型构建技术及其应用领域，建立船舶三维模型构建流程，实践操作船舶三维模型构建，分析三维模型的优化方法，应用案例分析。
四、预期成果及意义本研究旨在探究船舶总布置三维模型的快速构建技术，预期成果如下：1、掌握船舶三维模型构建的关键技术和方法；2、探究三维模型的优化方法，提高三维模型的质量；3、结合实际案例分析，验证船舶三维模型快速构建技术的可行性和应用价值；4、对船舶设计和建造领域产生积极的推动作用，具有一定的理论和实践意义。
五、研究计划及进度安排本研究计划分为以下几个阶段展开：1、调研相关文献资料，了解船舶三维模型构建的主流技术和方法，预计时间1个月；2、研究船舶三维模型构建的流程和优化方法，预计时间2个月；3、进行船舶三维模型构建的实践操作，并结合实际案例进行分析，预计时间3个月；4、撰写论文，预计时间1个月。
具体进度安排如下：阶段时间安排完成事项第一阶段第1-2个月调研相关文献资料第二阶段第3-4个月研究船舶三维模型构建的流程和优化方法第三阶段第5-7个月进行船舶三维模型构建的实践操作，并结合实际案例进行分析第四阶段第8个月撰写论文六、预期难点及解决措施本研究的预期难点主要包括：1、船舶三维模型构建的精度问题；2、船舶三维模型的优化方法；3、实际应用案例的分析和验证。
基于关键链技术(CCM)的船舶设计项目管理模型
基于关键链技术（CCM）的船舶设计项目管理模型船舶设计项目管理是一个复杂而庞大的任务，需要涉及到多个领域的知识和技术。
在过去，船舶设计项目的管理往往是依靠传统的项目管理模式进行，这种模式在某些方面存在着效率低、成本高、风险大等问题。
而基于关键链技术（CCM）的船舶设计项目管理模型，可以有效地解决这些问题，提高项目管理的效率和质量。
本文将对基于关键链技术的船舶设计项目管理模型进行介绍和分析。
关键链技术是以以色列学者戈尔德拉特（Eliyahu M.Goldratt）为首的一批人研究和应用的一种新型的项目管理方法。
该方法以项目的约束条件（如时间、资源等）为核心，通过对约束条件进行分析和优化，来提高项目的效率和质量。
关键链技术的一个重要特点是将注意力集中在项目的关键部分，避免人为浪费和低效率。
基于关键链技术的船舶设计项目管理模型，主要包括以下几个方面：1. 确定项目的约束条件：在船舶设计项目管理中，时间和资源往往是最主要的约束条件。
一旦确定了项目的约束条件，就可以按照这些条件来制定项目管理的计划和策略，确保项目的目标得到实现。
2. 确定项目的关键路径：在船舶设计项目中，某些工作环节会对整个项目的进度和质量产生重大影响，这些工作环节就是关键路径。
通过确定项目的关键路径，可以优化关键环节的资源配置，提高项目的执行效率和质量。
3. 确定项目的缓冲时间：在船舶设计项目中，往往会出现一些意外情况和变化，这些情况和变化会对项目的进度和质量产生影响。
通过确定项目的缓冲时间，可以有效地应对这些意外情况和变化，确保项目的顺利进行。
4. 确定项目的风险分析：在船舶设计项目中，会面临着多种风险，如设计变更、技术难题、外部环境变化等。
通过对项目的风险进行分析，可以提前预警和应对这些风险，确保项目的顺利进行。
基于关键链技术的船舶设计项目管理模型相比传统的项目管理模式，有着诸多优点：1. 提高项目管理的效率：基于关键链技术的船舶设计项目管理模型，能够有效地优化项目的执行计划和资源配置，提高项目管理的效率和质量。
基于PropCad的螺旋桨几何建模研究
图1 基于PropCad 的螺旋桨几何建模1 建模输入螺旋桨设计所得到的螺旋桨主要参数和水动力性能外加主要船舶参数，即为螺旋桨几何建模输入。
本例输入包括船舶参数和螺旋桨参数。
1）船舶参数船舶设计水线长为21 ft （1 ft=0.304 8 m ）；设计功率为150 HP ；轴系设计转速为1 250 r/min 。
入级ABS ，无冰区要求。
2）螺旋桨参数桨型为B 型定距桨；旋向为右旋；桨径为20 in （1 in=2.54 cm ）；参考螺距为20 in ；盘面比为0.65；纵倾角为10°；螺旋桨材质为镍铝青铜；螺距分布规律；侧斜分布规律等。
2 几何建模螺旋桨几何建模分为6步，依次为：单位设置、螺旋桨主要参数设置、强度及材料设置、桨叶几何建模设置、桨毂几何建模设置、叶梢几何修正设置。
2.1 单位设置螺旋桨设计所获取的螺旋桨主要参数中有些需带单位，比如桨径、螺距等。
因此在进行螺旋桨几何建模前，首先需进行单位设置，以便统一。
点击“SI ”可以一键实现国际单位制默认设置，点击“Imperial ”可以一键实现英制单位制默认设置，通过下拉框可以逐项进行单位设置。
本文单位设置如图2所示。
2.2 螺旋桨主要参数设置需要设置的螺旋桨主要参数包括：桨型、旋向、桨叶数、桨径、参考螺距、后倾角、毂径比等。
该船桨型为定螺距螺旋桨，旋向为右旋，桨叶数选4叶，桨径为20 in ，参考螺距为20 in ，后倾角为10°，毂径比采用标准B 型桨推荐值0.18（换算后的桨毂中心直径为3.6 in ）。
设置如图3所示。
图2 单位设置图3 螺旋桨主要参数设置2.3 强度及材料设置螺旋桨强度及材料设置的理论依据为船级社规范。
目前，PropCad 可依据的船级社包括：ABS 、BV/RINA 、KR 、LR 、CCS 、NK 、Baltic 等。
本文基于建模输入中的入级要求，船级社选择ABS 。
该船设计水线长为21 ft ，为钢制海船，因此参照“Steel Under 90 m (2014)”规范进行螺旋桨强度计算设置。
船舶推进_螺旋桨图谱设计
D
=1
.2
1.0
0. 8
1.0
1.0
0.8
1.2
0.8 0.7 0.6 0.4 0.3 0.5
P /D
0.6
=0
.4
P /D
0.4
0.2 0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0
J
14
η0
=1 .2
0.8
0.6
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
Q KQ ρ n 2 D5
D VA / nJ
功率系数BP
（收到马力系数）
NP V
0.5 D 2.5 A
BP 33.30
0.5 KQ
J 2.5
直径系数δ
ND 30.86 δ VA J
16
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
ND 30.86 δ VA J
0.5 0.5 KQ NPD BP 33.30 2.5 2.5 VA J
M HP 147k W 200hp
PD 0 M H P S R 2 0 0 0 . 9 6 0 . 9 8 1 8 8 . 1 6 ( h p )
11
第8章 螺旋桨图谱设计
本章主要内容
8.1 螺旋桨的设计问题及设计方法 8.2 B-δ型设计图谱及其应用
8.3 设计螺旋桨时应考虑的若干问题
8.4 船体-螺旋桨-主机的匹配问题 8.5 螺旋桨图谱设计举例
8.6 螺旋桨制图
12
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
在进行螺旋桨设计时，必需针对船舶的特点和要求
《船体结构3D建模》课件
数据采集
介绍如何获取船体结构的相关数据，包括测量和扫描。
数据分析
讲解如何对采集到的数据进行分析和处理，以优化建模结果。
数据优化和精度控制
分享如何对建模过程中的数据进行优化和精度控制，以满足实际需求。
应用实例
造船行业的应用
探讨船体结构3D建模在造船行业中的应用，如设计验证和工程施工等。
船运行维护中的应用
展望未来船体结构3D建模的应用领域和可能的创新方向。
船体结构3D建模
# 船体结构3D建模 ## 简介 - 什么是船体结构3D建模？ - 为什么需要船体结构3D建模？ - 相关应用场景
建模技术
建模软件介绍
介绍常用的船体结构建模软件，如AutoCAD、Rhino等。
建模流程
讲解船体结构3D建模的一般流程和步骤。
建模技巧
分享一些船体结构3D建模的技巧和经验。
讲解船体结构3D建模在船舶运行和维护中的应用，如漏洞检测和修复。
海上安全监管中的应用
说明船体结构3D建模在海上安全监管中的重要性和作用。
总结和展望
优势和局限性
总结船体结构3D建模的优势，如提高效率和减少工艺风险，并讨论其局限性。
发展趋势
展望船体结构3D建模的发展趋势，如智能建模和虚拟现实的应用。
未来展望
螺旋桨三维建模与水动力数值分析
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.30 No.6 2008 总第30卷，2008年第6期螺旋桨三维建模与水动力数值分析姚震球，高 慧，杨春蕾（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江 212003）摘 要：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，给出了三维实体建模过程.为数值计算方便，对桨模做了一些局部处理.然后运用计算流体力学方法（CFD）对螺旋桨的水动力特性进行数值模拟，以尽快形成螺旋桨敞水性能CFD计算的快速预报的能力.文章以MAU型桨作为研究对象，给出其敞水性能的数值计算结果并与试验值做了比较，获得良好的结果.同时还对该桨型周围流场进行了一些考察.关键词：船舶；船舶推进装置；螺旋桨；三维建模；计算流体力学方法中图分类号：U664.33 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2008) 06-0023-043D modeling and numerical analysis for hydrodynamicforce of propellerY AO Zhen-qiu, GAO Hui, Y ANG Chun-lei(College of Naval Architecture & Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhengjiang 212003, China)Abstract:The coordinate transformation formula for transforming the local to the global coordinate is deduced and introduced the 3D modeling at the same time. Dispose the propeller locally for the convenience of numerical analysis and provide the program. Further more, the CFD method is used to simulate numerically hydrodynamic characteristics of MAU propeller in order to have the capability of quick prediction of propeller open water performance, then compared with the measurement. The relevant investigation on the open water behavior of this propeller is also inspected.Key words: ship; marine propulsion; propeller; 3D modeling; CFD0 引言获得螺旋桨水动力性能数据主要通过实验和计算的方法.目前广泛采用的实验方法是螺旋桨模型敞水试验，它是检定和分析螺旋桨性能较为简单的方法.近年来随着实验条件的进步，出现了激光多普勒仪（LDV），它的不干扰流场和高精度的特性被作为一种先进的流场测量手段，可是这需要非常精密的试验设备，同时，每个桨模的制作周期长，费用昂贵，不具有快速预报螺旋桨敞水性能的能力.从1912年茹可夫斯基提出螺旋桨旋涡理论以来，螺旋桨计算方法发展已有数十年，基于势流理论而建立升力面理论，面元法等[1]已有相当水平并广泛应用到螺旋桨的设计与预报当中.然而，这些方法的计算过程异常烦琐，需要事先掌握许多预备知识.N-S方程考虑了流体的粘性影响，对于因粘性而产生的桨叶表面边界层的生成、发展、分离桨叶梢涡的形成都有可能预报[2]，但早期的解决方法需要大量的计算，制约了它的应用.现在随着计算机的迅猛发展，已经具备了几年以前还难以想象的计算能力，使得一些比较成熟的船舶性能计算方法，开始在实践中发挥重要的作用.本文利用螺旋桨基本参数建立螺旋桨三维模型并采用Fluent软件对其敞水性能和流场进行数值仿真计算，给出了敞水性征曲线，并就计算结果与试验测量值作了比较和分析.1 螺旋桨三维模型的建立1.1 螺旋桨曲面型值的坐标变换方法传统的螺旋桨手工作图法的几何视图表达方式是收稿日期：2007-11-05；修回日期：2008-02-22作者简介：姚震球（1966-），男，副教授，博士，主要从事船舶设计研究.根据螺旋桨提供的桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺寸表等数据绘制正投影图﹑侧投影图﹑伸张轮廓图；而对于三维桨建模来说，则是通过螺旋桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式.图1中OH 是基线.θ为纵斜角，ϕ为螺距角.全局坐标系OXYZ 的OXY 平面与螺旋桨轮毂端面平行为基线与圆柱面的交点，坐标系O X Y 与OXYZ 平行.O X O ′Z ′′′′′1Y 1Z 1坐标系的规定如图1（b ）中所示.X O ′1Y 1Z 1坐标系可以通过一次旋转与坐标系重合，由此可得：O X Y Z ′′′′1111000cos sin 0sin cos X X Y Y Z Z ϕϕϕϕ′⎛⎞⎛⎞⎛⎜⎟⎜⎟⎜′=⎜⎟⎜⎟⎜⎜⎟⎜⎟⎜′−⎝⎠⎝⎠⎝⎞⎟⎟⎟⎠（1） 由式（1）得1111000cos sin 0sin cos X X Y Y Z Z ϕϕϕϕ′⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟′=−⋅⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟′⎝⎠⎝⎠⎝⎠ （2） 由图1（a ）可得到坐标变换关系： cos tan i i X X R Y Y Z Z R θ′+Ψ⎛⎞⎛⎞⎜⎜⎟′=⎜⎜⎟⎜⎟⎜⎟′−⎝⎠⎝⎠⎟⎟ （3） 其中，Y R ′Ψ=由式（2）~式（3）整理可得：111111cos sin cos cos sin sin sin cos tan i i i i i Y Z R R X Y Y Z R R Z Y Z R ϕϕϕϕϕϕθ−⎛⎞⎜⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜=−⎜⎟⎜⎜⎟⎝⎠⎜⎟⎜+−⎝⎠⎟⎟⎟⎟（4） 式（4）即为曲面型值点的局部坐标到全局坐标的转换公式.图1 螺旋桨投影原理图1.2 螺旋桨曲面型值点坐标进行计算本文研究的螺旋桨为四叶的MAU 桨，其盘面比0.55，螺距比1.6，毂径比0.18，纵倾角10°.根据各叶切面几何参数，由式（4），通过计算程序就可以方便地得到螺旋桨所有曲面型值点的坐标.由于桨叶轮廓尺寸表和桨叶切面尺寸表只提供了0.2R~0.95R 的型值，所以必须对桨叶叶根处插值进行修正.为了计算方便需要将桨作一些处理：桨毂用无限长的圆柱体来代替，导边随边与桨毂表面用光顺的曲线连接.在pro/ENGINEER 中得到光滑曲面[3]，最终生成的螺旋桨实体模型如图2所示，其中，Z 轴与螺旋桨的旋转轴方向一致，以船艏方向为正向，Y 轴与桨叶参考线一致，X 轴服从右手法则.图2 螺旋桨的三维实体模型2 数值计算过程2.1 计算域与网格划分鉴于来流的均匀和螺旋桨几何上的周期性，为进行敞水试验只需取单个桨叶所在的单通道作为计算域即可分析，由此节省计算时间提高计算效率.单桨叶通道内外边界定在桨毂和直径为螺旋桨直径数倍的圆柱体表面.进出口面为90°的扇面.在近壁面区，流动情况变化很大，特别是粘性底层，几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，所以采用低Re 数k -ε 模型求解粘性影响比较明显的区域，这就要求在壁面区划分比较密的网格，越靠近壁面，网格越细.沿桨叶面以及桨毂表面的法向方向按一定的比例伸出6层边界层网格，根据经验第一层高度定义为0.001D ，其它区域都使用四面体网格.为了检验出口面距离以及不同网格形式对计算结果的影响，建立三种方案，如表1所示，面网格划分见图3.ZOY X X 1Y 1Z 1O ′Y ′ X ′ Z ′ M BH AR i θ ϕψ ϕϕ O ′ Y ′Y 1M Z ′Z 1A ′B ′(a)(b)表1 网格划分方案标记出口到原 点距离螺旋桨面网格形式网格 数目Base 0.72D 导边、随边、叶梢、 叶根部附近区域采用长度为0.0025D的三角形面网格， 其余长度为0.005D492992Extended 2D 同上 647512Fine 2D 长度为0.0025D 的三角形面网格1635235图3 螺旋桨面网格2.2 边界条件速度进口边界给定均匀来流的各个速度分量；出口边界给定表压为0（相对于工作压强）；其上远扬外边界同样设为速度进口边界；叶片和桨毂定义为固体壁面，无滑移条件；整个桨模的中心与坐标原点重合；单桨叶通道的法线夹角为90°的两个周向侧面设置为旋转周期性边界.计算域流体则按单旋转坐标系，设置绕z 轴以角速度n 旋转.3 数值计算结果的考察分析3.1 敞水性能曲线计算结果与试验对比本次数值计算选用的螺旋桨直径0.25m ，其转速n 为900r/min ，其对应的雷诺数为9.33×105，在这里通过固定转速，改变进速的办法来改变进速系数J .进速系数J （J =V A /nD ）的变化范围为0.5~1.6，其中，V A 为水的进速，m/s ；n 为螺旋桨的旋转速度，r/min .表2给出使用k -ε 模型在J =0.6～0.9时三种不同的网格方案下的K T ，K Q （分别为推力系数和扭矩系数）的计算结果.三种网格形式对K T ，K Q 的计算结果的影响不是很明显，不超过1.3%，故使用“Base ”方案来分析以下的计算结果.表2 不同网格形式下的K T ，K Q 结果比较J Base Extended FineK T 0.5024 0.5023 0.5022 J =0.6 10K Q 1.167 1.167 1.163 K T 0.4283 0.4237 0.4296 J =0.8 10K Q 1.016 1.013 1.018 K T 0.3870 0.3868 0.3873 J =0.9 10K Q 0.9350 0.9386 0.9375 K T0.2997 0.2998 0.2996 J =1.110K Q0.7582 0.7581 0.7592计算所得到的敞水性能曲线及与试验计算结果的比较如图4所示.图中，螺旋桨水动力参数的计算结果与试验结果能够较好的吻合，K T ，K Q 的误差最大不超过3.13%和6.5%.同时我们也发现随着螺旋桨载荷的增加（进速系数减小），计算值与试验值偏差有增加的趋势，这种现象在使用RANS 数值模拟中普遍存在[4].存在这些差异的原因主要是试验环境中的管道壁面和桨毂轮廓的影响，进流速度的不均匀，这些在CFD 中模拟不能完全吻合.与试验结果相比,计算所得的K T -J 线斜率绝对值在0.5≤J ≤1.1中稍偏大，而K Q -J 线计算结果与试验数据相比在小进速下误差稍大，其中最大偏差在6.3%左右，在J ＝1.55附近两者相交，随后计算值比试验值略小，偏差在5.48%.小进速下K Q -J 误差大的原因有两种可能：1）在数值模拟中没有使用空化模型，空泡现象的存在可能对螺旋桨性能有影响；2）进速系数小的情况下螺旋桨周围流场没有完全发展成湍流.对于η0-J （η0为旋转效率）曲线，当J ≤0.8时计算值与试验值几乎完全吻合，之后两者之间的偏差有所增加，为负偏差，在J ＝1.6时的偏差最大达到7.41%.(a) Base(Extended) (b) Fine总的来说计算结果和试验误差在工程所允许的范围内，利用CFD 技术可以对螺旋桨的敞水性能做出较为可靠的预报，如何进一步提高计算精度值得深究.图4 螺旋桨敞水性能曲线3.2 螺旋桨流场简要分析以螺旋桨进速系数J =0.9时的工况为例，对桨叶流道内的流动情况进行分析，对桨叶r =0.3R 处剖面进行考察.图5显示其叶背上的水流速度大于来流速度，由伯努利定理知其上的压力大于来流的静压，形成“吸力”，故叶背又称吸力面；叶面的水流速度小于来流的速度，压力增加，形成“压力”，故叶背又称压力面.前方来流在桨叶的导边附近因速度滞止而压力达到峰值，然后加速通过叶间流道，水流沿着桨叶表面流向桨叶的随边时，在压力面上导边附近压力变化剧烈，剖面1/3~5/6弦长处压力分布趋于稳定，之后略有波动.K在吸力面上形成低压区.图5 0.3R处水流通过桨叶剖面的速度矢量（m/s）由图6和图7看出，对一定的叶切面来说，进速系速减小（入射角增加）其压力系数峰值有所增加.图6 径向0.3R处叶面压力系数分布（L为叶剖面的弦长）4 结论1）通过螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的转换，使建模过程变得简单直观，具有普遍意义.2）尝试采用多种网格形式，优化网格方案，从计算效率和计算精度上选择最优的网格形式，取得了较满意的结果.3）使用FLUENT软件考察在不同进速系数下得到的推力系数K T、扭矩系数K Q与试验结果比较误差不超过7%，因此可以较为可靠的预报螺旋桨的性能，具有实际应用价值.4）对螺旋桨周围流场做了简要分析，为分析螺旋桨空泡奠定基础.参考文献：[1] 董世汤.船舶螺旋桨理论[M].上海：上海交通大学出版社，2002.[2] CHANGBJ. Application of CFD to P4119 propeller [A].22nd ITTC Propulsion of ducted Propellers[C]. China-Korea Marine Hydrodynamics Meeting，1997.[3] 林清安.Pro/ENGINEER[M].北京：清华大学出版社，2006.[4] Chen, B., and Stern, F. Computational Fluid Dynamics ofFour-Qu-adrant Marine-Propulsor Flow[J]. J. Ship Research, 1999, 43(4): 218-228.。