船用螺旋槳的參數化建模方法

0 引言

螺旋槳的設計是整個船舶動力系統設計中的重要組成部分，圖譜設計法是目前應用廣泛的螺旋槳設計方法。為滿足設計中不斷改進，制造中一次成型的需求，三維螺旋槳建模技術也得到了廣泛應用。螺旋槳的槳葉是一個復雜的空間曲面，傳統的螺旋槳三維建模方法需要借助MATLAB等專業編程軟件先計算槳葉葉面特征點的實際空間笛卡爾坐標，再利用這些坐標參考點進行三維建模

。本文以AU型螺旋槳為例，分析了螺旋槳結構特點和螺旋槳葉剖面變換方式，建立了基于螺旋槳幾何特征的參數化三維模型，實現了螺旋槳快速建模。參照該方法可實現多種螺旋槳圖譜的參數化建模。基于螺旋槳幾何特征的三維建模，無需復雜的空間坐標計算，更易進行模型的優化，能夠更加直觀便捷的進行螺旋槳的批量化、化系列化建模，大量簡化螺旋槳的設計和優化工作。

1 螺旋槳的結構特點

1.1 槳葉的結構特點概述

螺旋槳主要可分為輪轂和葉片兩個部分，槳葉數量一般在3-6片之間。螺旋槳的建模其主要難點在螺旋槳葉片曲面的生成。一般來說表示螺旋槳幾何特征的參數主要有：螺旋槳直徑D、螺距P、葉數Z、后傾角α、盤面比a

等。另外螺旋槳的圖紙中還包括：葉片各剖面尺寸表、各剖面導邊隨邊最大厚度處與母線的距離、側視圖(a)、投射輪廓圖(b)、伸張輪廓圖(c)等葉片的詳細參數信息

。用以上信息共同來表示螺旋槳的幾何形狀(如圖1.1所示)。實際應用過程中二維平面的圖紙很難直觀的反應螺旋槳的幾何形狀，導致在對螺旋槳進行優化、設計或校核計算時耗時較長。若能夠直接根據給定參數生成三維模型，并用三維軟件來進行螺旋槳轉動慣量計算、葉片形狀優化等工作，則可以大大提高工作效率。

AU型螺旋槳是日本運輸技術研究所發展的螺旋槳系列，通常包含AU型、MAU型、AUw型和MAUw型。本文中以AU型螺旋槳為例進行參數化建模。主要參考AU螺旋槳槳葉輪廓尺寸表和AU型螺旋槳的葉切面尺寸表，示例見表1.1、1.2。螺旋槳正車旋轉時槳葉邊緣在前面者稱作導邊，另一邊稱為隨邊，母線有稱為槳葉參考線或葉面參考線，作為葉剖面的位置基準，如圖1.2所示。

1.2 葉剖面的幾何特征

螺旋槳的槳葉主要特征可分為母線、導邊、隨邊、葉剖面、螺距分布(如圖1.2所示)。單一槳葉的葉剖面的原始位置基準點是螺旋槳母線與各槳葉半徑下的圓柱面交點，過交點與與槳葉各半徑下的圓柱面相切的平面為基準平面(如圖1.3所示)。

槳葉各半徑處葉剖面的形狀由槳葉輪廓尺寸表和葉切面尺寸表確定，以AU螺旋槳為例，其尺寸關系如圖1.4所示，整個葉剖面最大寬度d=2.26D·a

/Z(直徑D、葉數Z、盤面比a

)，根據槳葉輪廓尺寸表可以得出各半徑處的葉寬X

和葉厚Y

，再根據葉切面尺寸表可確定葉剖面特征點的坐標，連接各特征點可得螺旋槳葉剖面，連接各半徑下的葉剖面即可得到螺旋槳的伸張輪廓圖。可見葉剖面是由直徑D、葉數Z、盤面比a

這三個參數決定。

1.3 伸張輪廓到實際輪廓的變換

在長期運行中，10kV 配電網的供電電壓的大小與供電線路的損耗成反比。對此，有關供電企業應給予足夠的重視，在不斷加大電力負荷的同時，對于一些供電電壓較低的城鄉地區，應逐步推進 110kV、220kV 配電網絡的建設，或在原有低壓電網的基礎上進行技術改造，陸續淘汰、拆除與國際標準不符的電壓網絡，盡可能的避免變電容量存有重復，以簡化電壓等級的方式來降低線路損耗。

第一步：葉剖面曲線沿著螺旋槳旋轉軸向后平移距離L；

7)利用Creo的“邊界混合”功能建立曲面，對所形成的的封閉曲面進行“延伸”“合并”操作；

第二步：將葉剖面曲線旋轉角度θ，該角度為螺旋槳半徑r處的螺距角；

營業員勉強地笑著，“沒事，有點低血糖，頭有點暈。小姐喜歡哪套？”總共試穿了四套，顏曉晨最喜歡第三套，而且正好是特價品，打四折，

3)利用Creo的“選擇性粘貼-對副本應用移動/變換”功能對葉剖面曲線進行平移和旋轉；

第三步：將旋轉后的葉剖面曲線投影到半徑為r的圓柱曲面，投影后曲線為螺旋實際輪廓線。螺旋槳曲面實際上是由多個轉換后的葉剖面曲線連接而成，如如圖1.6所示。

2 基于幾何特征的螺旋槳三維模型建立

為了能夠將螺旋槳的三維模型參數化，模型的建立需要跟螺旋槳的幾何特征相互關聯，不能直接使用螺旋槳曲面的實際坐標來生成螺旋槳的三維模型，應根據螺旋槳的建立螺旋槳的槳葉輪廓尺寸表和葉切面尺寸表建立標準的葉剖面曲線，再將葉剖面曲線根據螺旋槳的幾何特征從伸張輪廓變換到實際輪廓，最后生成實際螺旋槳的三維模型。以AU螺旋槳為例，Creo制作螺旋槳曲面基本步驟如下：

1)建立各半徑處的基準面與基準線、包含圓柱曲面、基準平面、母線(軸線)；

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2)在基準平面建立葉剖面特特征點(基準點)；通過草繪繪制葉剖面曲線；

6)連接實際葉剖面曲線的端點，生成輪廓曲線，并對曲線進行適當的修剪便于葉片曲面建立；

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4)利用Creo的“包絡”功能將平移旋轉后的曲線投影到圓柱曲面；

5)重復1-4步，得到各半徑處的實際葉剖面曲線，如圖2.1所示；

從螺旋槳的伸張輪廓至螺旋槳的實際輪廓牽扯到系列的空間坐標轉換，其坐標點的計算較為復雜

。但從幾何變換的角度可將葉剖面的變換分解為三個步驟(如圖1.5所示)：

但很顯然，由于間接侵權制度已經被廣泛接受，如果未經專利權人許可而提供這些產品，往往會被認定為侵權，因此專利權人的獨占權利范圍實際已經及于這些產品。這樣，當專利權人同意而售出這些產品時，與其同意售出“專利產品”、“依據專利方法直接獲得的產品”沒有什么不同，專利權人已經可以從中獲得利益。

L=r·tan α，α為后傾角，r為圓柱面半徑

8)利用Creo的“實體化”功能得到一個完整葉片三維模型，如圖2.2所示；

9)根據螺旋槳葉數Z，對葉片進行陣列操作，即可得到螺旋槳葉片三維模型；

10)利用Creo的“旋轉”功能繪制輪轂，結果如圖2.3所示，得到螺旋槳三維模型。

螺旋槳輪轂無標準尺寸，可在模型中建立一個建議輪轂，后續根據具體需求調整輪轂的具體尺寸。

3 螺旋槳模型的參數化

綜上所述，AU槳其葉片主要參數僅有5個，分別為螺旋槳直徑D、螺距P、葉數Z、后傾角α、盤面比a

，螺旋槳葉片的實際形狀就是根據槳葉輪廓尺寸表和葉切面尺寸表結合上述五個主要參數生成。其中直徑D、葉數Z、盤面比a

決定了葉剖面形狀參數，直徑D、螺距P、后傾角α決定了葉片幾何變換參數。因此在進行螺旋槳三維模型參數化建模過程中，主要對兩個方面進行參數化，一是在葉剖面草繪視圖中對葉剖面特征點的坐標進行參數化，二是對葉剖面進行幾何變換的特征命令進行參數化。參數化過程中主要數據關系如表3.1所示。參數化模型后可通過修改直徑D、螺距P、葉數Z、后傾角α、盤面比a

這五個參數實現螺旋槳三維模型的快速生成。

近些年來青海藏毯生產幾乎占據了全國藏毯生產的90%以上，出口量為全國手工地毯的30%，每年產值達40億元。從2004年至今，青海已連續成功舉辦了14屆“藏毯國際博覽會”。2016年、2017年、2018年青海“藏毯展”達成的意向簽約和合同訂單分別為19050萬美元、1.96億美元、1.96億美元。

桐廬縣氣象臺7月26日9時、12時發布的短期天氣預報指出:“明天晴到多云,午后局部有陣雨或雷雨,偏南風3級,氣溫26～38 ℃”。15時、18時發布的短期天氣預報指出:“明天晴到多云,午后局部有陣雨或雷雨,雷雨時短時風雨較大,偏南風3級,氣溫27～38 ℃”。

4 結論

綜上所述，利用參數化建模的思想，結合螺旋槳的幾何特征，可以利用Creo的建模功能和定義尺寸“關系”功能，實現僅輸入螺旋槳的主要特征參數就可以自動生成螺旋槳三維模型。該方法可以大大加快螺旋槳的建模效率，方便我們隊螺旋槳的質量、轉動慣量的快速計算、能夠提高螺旋槳的改進設計的效率。同時利用Creo的“族表”功能可以像建立標準零件庫一樣，建立一個螺旋槳三維模型數據庫，提高三維模型利用率。

該文章中僅討論基于AU螺旋槳的三維建模方法，其模型的建立仍有較多可改進的地方，例如：通過增加一個‘左旋’‘右旋’變量，用來控制螺旋槳葉剖面旋轉角度的旋轉方向，實現左旋槳和右旋槳的生成。另外螺旋槳的輪轂目前標準的參數化模型，可根據實際工作中的需求及經驗，進行輪轂的自定義參數關系。同時通過進一步優化對參數“關系”的定義可考慮將AU、MAU、AUw多種相近的螺旋槳集成到一個模型中。此外，對于非標準螺旋槳，可考慮利用Creo的導入坐標功能，實現部分參數化建模，導入的坐標點可以是葉剖面伸張輪廓特征點，其幾何變換仍可以通過Creo的命令來實現，依然能夠大大簡化三維建模難度，提高工作效率。

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