基于CAESES 的船用螺旋槳三維建模研究

王超，吳浩，韓康，趙雷明

哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

螺旋槳作為船舶領域中應用最廣泛的推進器，其設計效率及建模精度直接影響著船舶的快速性、經濟性與安全性。隨著對螺旋槳高效、快速建模要求的提高，傳統幾何建模方法被先進的三維建模技術所取代，目前，應用較為廣泛的軟件包括Solidworks[1?2]、AutoCAD、CATIA[3]、ProE[4]和UG[5?8]等。

螺旋槳型表面十分復雜，具有變化的葉切面、螺距角、弦長等幾何特性，螺旋槳三維建模的關鍵在通過空間坐標將復雜的槳葉型值進行表達，再選用合適的樣條曲線、曲面進行擬合。而CAESES 作為一款主要應用于產品設計前期的參數化建模及優化設計軟件，具有強大的三維參數化建模、耦合仿真、優化設計等功能，內部提供了豐富的點、線、面操作命令，可通過調整相應的控制參數實現曲線、曲面的平滑過渡，保證模型的光順。目前被廣泛應用于船舶[9?10]、航天、汽車[11]等領域產品的設計及性能優化工作中。

本文基于Fortran 編程語言，實現了輸入槳葉參數得到槳葉表面網格點空間坐標；再通過Excel 進行數據的二次處理得到了CAESES 輸入文件；最后導入feature，執行相應的操作快速生成了螺旋槳三維實體。針對不同種類螺旋槳，只需更改程序的輸入文件即可，該方法簡化了螺旋槳三維建模設計過程，規避了通用軟件操作復雜的弊端，有效提高了螺旋槳的設計精度。

1 螺旋槳模型

螺旋槳主要由葉片和槳轂兩部分組成。通常情況下，水面船舶螺旋槳槳葉有3～6 片，由于其特殊的幾何外形無法用特定函數來表達曲面結構，因此常選用葉剖面的位置參數和其他類型的特征數據進行表示，螺旋槳的參數化變量包括螺距、縱傾、側斜、弦長、厚度和拱度，這6 種類型的數據構成了螺旋槳建模的參變量體系[12]。

程序中，將螺旋槳固定于如圖1 中的坐標系o?xyz中，原點o位于槳盤面的中心點，x軸沿槳轂軸線方向指向下游，y軸沿螺旋槳某一葉片的母線方向，z軸與x軸和y軸組成右手坐標系。

圖1 螺旋槳坐標系

同時采用一柱坐標系o?xrθ作為參考坐標系，θ 的方向由y軸起始按逆時針方向旋轉。在柱坐標系下，如圖2 所示，用s表示葉剖面上的點到導邊的弦向距離，c1表示葉剖面上導邊至母線的距 離，xr表示葉剖面處的縱傾，θs表示剖面的側斜角，yb、yf分別表示葉背、葉面上的點到弦線的距離。

圖2 螺旋槳柱坐標系

則螺旋槳半徑為r處的葉剖面上的點的坐標可表示為

柱坐標系與直角坐標系之間的轉換關系符合式(2)：

因此，式(1)在坐標系o?xyz下的相應坐標為

2 螺旋槳空間坐標

本文螺旋槳空間坐標利用Fortran 語言進行編程，程序流程如圖3 所示。

圖3 空間坐標程序流程

以KP505 槳為研究對象，進行螺旋槳實體三維建模，主要螺旋槳參數如表1 所示。

表1 KP505 主要參數

具體建模步驟如下：

1)以txt 文本格式輸入螺旋槳的幾何參數，部分數據如圖4 所示。

圖4 螺旋槳幾何參數

2)計算螺旋槳剖面面積、體積矩、慣性矩等宏觀參數，部分程序如下：

3)計算螺旋槳幾何參數，規范參數單位。部分程序如下：

4)網格劃分，生成網格節點空間坐標，將數據輸出，部分程序如下：

5)輸出螺旋槳AutoCAD 圖形，如圖5 所示，觀察槳葉網格的連續性，導邊、隨邊坐標數據的封閉性以及螺旋槳的幾何特征，以檢驗生成模型的正確性。

圖5 AutoCAD 中KP505 槳模型

3 CAESES 中螺旋槳三維實體建模

由于生成的螺旋槳空間坐標txt 文件不符合CAESES 的輸入文件格式，因此需將輸出數據進行后處理，在此選用Excel 將空間坐標轉換成如下形式：

本例中所設置的螺旋槳弦向、徑向網格劃分數目均為16，網格劃分形式均采用半余弦分割，因此，共產生網格節點2 890 個，單個槳葉不同半徑處葉背葉面均由17 個點通過插值曲線得到，處理后的數據可直接應用于CAESES 軟件。

具體CAESES 中建立螺旋槳三維模型的過程如下：

1)導入Feature。Feature>New Definnition>General,Type Name 中輸入KP505>Greate Function，輸入二次處理后的數據>Apply>Close。

2)執 行Feature。Feature Definnition>KP505>Execute Definnition，命名為point_line>Execute。

3)建立單槳葉曲面。CAD>Scope，命名為blade>子空間內根據已生成的空間曲線執行LoftedSurface(介于兩條或者多條任意曲線之間的曲面)和RuledSurface(介于兩條任意曲線之間的直線曲面)命令生成s1、s2、s3，分別為螺旋槳壓力面、吸力面、葉梢面。

4)運用Brep(主要用于曲面模型之間的布爾運算)命令建立單槳葉實體。CAD>Breps>Brep，將s1、s2、s3添加到Sources 中，重命名為single_propeller。

5) 運用Brep 命令建立完整槳葉實體。CAD>Breps>More>Periodic Brep，其中Geometry 中選擇single_propeller，N=5，Rotation Axis 選擇X軸，重命名為propeller_all，注意在運用Brep 命令過程中螺旋槳局部可能會產生變形，此時只需要稍微調小全局公差即可。

6)槳轂實體。與螺旋槳建模方法類似，這里不再贅述。

7)生成螺旋槳三維實體模型。CAD>Breps>Brep，命 名為Propeller 將propeller_all 和hub 添加到Source 中生成完整螺旋槳模型，如圖6 所示。

圖6 KP505 槳實體三維模型

4 螺旋槳水動力性能驗證

為進一步驗證建模方法的準確性，采用CFD方法對模型進行敞水性能計算，計算結果與試驗數據做對比[13?14]。

本次計算參照的是2015 年東京船舶流體力學CFD 研討會所提供的數據[15]，螺旋槳轉速n=9.5 r/s，水的密度、運動黏度分為 ρ=999.1 kg/m3、υ=1.139×10?6m2/s。

計算域具體尺寸如圖7 所示。在網格劃分上，靜止域選用切割體網格，旋轉域選用切割體網格，邊界層處采用棱柱層網格，棱柱層層數為8，棱柱層延伸取1.3，槳葉近壁面第一層網格無因次化厚度y+≤1。基礎尺寸均取0.125 m，為提高計算精度，對槳轂、葉梢和槳后處進行局部加密，根據建立的計算域方向，設置速度進口、壓力出口和對稱平面，靜止域與旋轉域之間設置交界面，并禁用棱柱層網格，最終旋轉域網格數約為365.8×104，靜止域網格約為236.6×104，總網格數約為602.4×104，整個計算域的網格如圖8 所示。

圖7 計算域尺寸

圖8 體網格

設置物理模型，其中湍流模型選用K-Omega湍流，采用旋轉參考坐標系法，旋轉速率為9.5 r/s，保持螺旋槳轉速不變，通過改變進速VA求解不同進速系數下的推力系數、扭矩系數、效率，分別計算進速系數為0.2、0.4、0.5、0.7 和0.8 時的KT、10KQ、η0，敞水特性曲線如圖9 所示。

圖9 敞水特性曲線

仿真值與實驗值對比如表2 所示。

表2 敞水特性對比

由表2 可知，推力系數、扭矩系數和效率的誤差均小于5%，在誤差允許范圍內，因此，本文提出的基于CAESES 的建模方法是有效可行的。

5 結論

本文以Fortran 編程語言為主體，基于CAESES軟件提出了一種螺旋槳建模方法。通過編程實現了螺旋槳槳葉參數到三維空間坐標的轉換，后處理網格點坐標得到了符合CAESES 建模的輸入文件，在CAESES 界面執行相應命令得到了螺旋槳實體模型，最后結合數值仿真，與試驗結果作對比驗證了建模方法的準確性。在建立不同的螺旋槳模型時，只需更改程序的輸入文件即可，大大縮短了建模時間，提高了螺旋槳的生成效率。