基于UG OPEN/API的魚雷對轉螺旋槳參數化建模

何惠江, 李 楠

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基于UG OPEN/API的魚雷對轉螺旋槳參數化建模

何惠江1, 李 楠2

(1. 西安駐東風儀表廠代表室, 陜西 西安, 710065; 2. 海軍工程大學 天津校區, 天津, 300450)

對轉螺旋槳的優化設計是魚雷外形優化設計中很重要的部分。該文在現有UG二次開發語言UG OPEN/ API的基礎上, 提出了一種對轉螺旋槳參數化3D建模方法, 建立了魚雷對轉螺旋槳的參數化模型, 利用該方法能夠簡化對轉螺旋槳優化設計的分析流程, 具有較高的實用價值。

魚雷; 對轉螺旋槳; UG OPEN/API; 參數化3D建摸

0 引言

魚雷對轉螺旋槳是2個特定的普通螺旋槳, 分別安裝在2個同心的內外軸上, 采用彼此向相反方向旋轉的推進方式, 推進效率比普通螺旋槳高出8%~14%。前后槳的扭矩平衡, 而偏航扭矩最小,這有利于保持航向和提高機動性。對轉螺旋槳的這些特點正是魚雷推進系統所要求的, 所以目前在魚雷推進系統設計中普遍采用對轉螺旋槳。對轉螺旋槳優化設計的前提是建立參數化模型, 以參數為設計變量來建立優化模型。然而在魚雷總體設計領域, 如何建立魚雷對轉螺旋槳的參數化模型一直是該領域的研究重點。

本文利用UG/Open API[1]對魚雷對轉螺旋槳的3D建模進行二次開發, 建立了魚雷對轉螺旋槳的參數化3D模型，以實現簡化對轉螺旋槳優化設計。

1 對轉螺旋槳參數化3D設計技術

1.1 UG OPEN/API程序

UG OPEN/API模塊是UG NX提供的一個二次開發語言模塊, 它提供的功能全部以標準C語言頭文件(*. h文件)的形式保存在UG NX目錄下的UG OPEN目錄中。UG OPEN/API根據程序編譯鏈接情況的不同, 可分為Internal和External 2種不同的環境。External可以*.exe方式在操作系統下直接運行, 獨立于UG NX系統, 但是用戶無法與圖形進行交互。而Internal類型只能在UG NX環境下運行, 該程序以*.dll的方式被調入UG NX環境中。UG OPEN/API程序主要包括3部分: 入口函數ufusr()、實際工作函數do_ ugopen_api()和調用函數UF_CALL(X)(report)。在頭文件聲明中必須包括“uf.h”、“uf_modl.h”、“uf_ui.h”3個頭文件。

1.2 對轉螺旋槳參數化3D設計技術

螺旋槳槳葉型值點在系統坐標系中的坐標值可根據螺旋槳槳葉展開前后型值點的幾何關系(如圖1), 通過坐標轉換得到[2-3]。在這里, 螺旋槳槳葉3D外形是由一系列以螺旋線為基準線的3D曲線集合而成, 螺旋線上的任意坐標可以圓周角為參數進行定義, 具體公式為

式中: r為半徑; p為螺距。通過改變半徑會在不同半徑處產生相應的螺旋線。所有螺旋線的集合構成一個螺旋面。

如圖1所示, 螺旋面槳葉背面上的任意一點￠的坐標為(,,), 展開圖上與￠對應的為點,￠在系統坐標系水平面上的投影為￠,￠對應的圓周角為。準線與葉片展開面的交點為, 葉片上其他各點都以點為基準點。由圖可知,=,=1。圖1中△為直角三角形, 可得

其中,為螺距角。

式中:為沿葉剖面弦長自鼻端到弦上某點的距離;為葉剖面沿弦長各型值點對應的半厚度。如果葉剖面的拱度不為零, 還要考慮拱度的影響。將式(3)代入式(1)可直接得到￠的坐標(,)。同時, 由螺旋線的幾何特征及圖形關系可知,和￠的坐標相同, 它們相對于點的坐標可表示為

后傾()通常用后傾角和圓弧半徑來表示

考慮到后傾角的影響,￠的坐標可表示為

綜上所述, 螺旋槳葉片上的任意型值點坐標可表示為

2 對轉螺旋槳參數化3D建模實例

所謂參數化建模就是將模型的一些幾何變量以參數的形式賦值, 利用參數值驅動零件和部件的特征尺寸, 綜合考慮各部件間的定位和位置變換關系, 在不改變模型拓補結構的情況下快速生成特定對象的模型圖。參數化建模技術的應用為反復生成各種尺寸的特定結果模型提供了極大的方便。

根據前面所論述的螺旋槳3D參數化建模方法, 這里給出一個CRP1對轉螺旋槳實例。

1) 提取設計參數。根據對轉螺旋槳的幾何特點, 將前槳直徑1、后槳直徑2、前槳槳葉數1、后槳槳葉數2、前槳轂徑比x1、后槳轂徑比x2、前后槳盤面距離0、前后槳葉錯角等作為設計參數提取出來。具體參數值詳見表1~表3, 表1中:x為沿葉剖面弦長自鼻端到弦上某點的距離與弦長之比;y為葉剖面縱坐標(半厚度)與最大厚度之比;y為拱弧線坐標與最大拱度之比。表2中:1,2為無量綱半徑, tan1,2為水動力螺距角的正切值。表3中:1,2為無量綱半徑,/為弦長直徑比,/為厚度直徑比,/為拱度弦長比。

已知數據如下[4]:

前槳直徑1=0.236 m

后槳直徑2=0.230 m

前槳槳葉數1=6

后槳槳葉數2=7

前槳轂徑比x1=0.452

后槳轂徑比x2=0.307

前后槳盤面距離0=0.083 m

前后槳葉錯角=18°

翼型剖面NACA66mod 0.8拱度

2) 通過VsualC++進行編程, 計算出單槳葉所有性質點的坐標值, 并輸出為txt文件。

3) 編譯單槳的UG API程序。先通過函數sprintf(filename, “*.txt”)讀出所有單槳上的型值點坐標值, 然后用函數UF_CURVE_create_point

表1 NACA66 mod翼型剖面型值表

表2 前、后槳葉剖面水動力螺距角分布

表3 前、后槳幾何參數

生成所有點, 接著用函數uf5080在槳葉的不同半徑處生成封閉曲線, 最后用函數CreateSheetbody ()生成覆蓋槳葉的曲面, 從而生成單槳葉的3D圖,如圖2所示。

圖2 單槳葉3D圖

4) 利用函數UF_CSYS_create_csys不斷地改變工作坐標系, 在各個坐標系上重復步驟2的過程, 生成對轉螺旋槳的3D圖, 如圖3所示。

圖3 對轉螺旋槳3D圖

4 結束語

本文提供了一種利用UG二次開發工具UG OPEN/API進行魚雷對轉螺旋槳參數化建模的方法, 使對轉螺旋槳的模型參數化, 有利于就對轉螺旋槳模型進行優化。設計人員只需控制前槳直徑、后槳直徑、前槳槳葉數、后槳槳葉數、前槳轂徑比、后槳轂徑比、前后槳盤面距離、前后槳葉錯角、翼型剖面、水動力螺距角的分布以及一些幾何參數就可以自動生成對轉螺旋槳的模型,并將此模型輸入ANSYS和FLUENT中進行強度分析和流體分析。大大簡化了分析流程, 具有很高的實用價值。

[1] 莫蓉, 常智勇, 劉紅軍, 等. 圖表詳解UG NX二次開發[M]. 北京: 電子工業出版社, 2008.

[2] 端木義寧. 對轉螺旋槳及應用[J]. 航海技術, 1997(5): 48-50.

[3] 姚山, 麻春英, 徐艷麗, 等. 復雜曲面船用螺旋槳鑄造工藝三維參數化設計[J]. 鑄造技術, 2006, 55(10): 1004- 1007. Yao Shan, Ma Chun-ying, Xu Yan-li, et al. Complicate Surface of Propeller Using by Ship and It's Casting Process' 3D Parameterized Designing[J]. Foundry, 2006, 55(10): 1004-1007.

[4] 張宇文. 魚雷外形設計(下冊)[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1998.

Parametric Three-Dimensional Modeling for Torpedo Contra-Rotating Propeller Based on UG OPEN / API

HE Hui-jiang1, LI Nan2

(1. Military Representative Office, Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China; 2. Tianjin Campus, Navy University of Engineering, Tianjin 300450, China)

Optimization design of contra-rotating propeller is an important part in torpedo shape design. This paper presents a parametric three-dimensional modeling method for contra-rotating propeller based on UG's second deve- lopment tools OPEN/API, and a parametric model of torpedo contra-rotating propeller is hence established. The modeling method can simplify the analysis process of optimization design of contra-rotating propeller.

torpedo; contra-rotating propeller; UG OPEN/API; parametric three-dimensional modeling

TJ630.33

A

1673-1948(2011)01-0010-04

2010-06-12;

2010-12-31.

何惠江（1976-）, 男, 碩士, 主要研究方向為水聲信號與信息處理.

(責任編輯: 陳 曦)