船用螺旋桨的参数化建模方法

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螺旋桨的设计是整个船舶动力系统设计中的重要组成部分,图谱设计法是目前应用广泛的螺旋桨设计方法。为满足设计中不断改进,制造中一次成型的需求,三维螺旋桨建模技术也得到了广泛应用。螺旋桨的桨叶是一个复杂的空间曲面,传统的螺旋桨三维建模方法需要借助MATLAB等专业编程软件先计算桨叶叶面特征点的实际空间笛卡尔坐标,再利用这些坐标参考点进行三维建模

。本文以AU型螺旋桨为例,分析了螺旋桨结构特点和螺旋桨叶剖面变换方式,建立了基于螺旋桨几何特征的参数化三维模型,实现了螺旋桨快速建模。参照该方法可实现多种螺旋桨图谱的参数化建模。基于螺旋桨几何特征的三维建模,无需复杂的空间坐标计算,更易进行模型的优化,能够更加直观便捷的进行螺旋桨的批量化、化系列化建模,大量简化螺旋桨的设计和优化工作。

1.1 桨叶的结构特点概述

螺旋桨主要可分为轮毂和叶片两个部分,桨叶数量一般在3-6片之间。螺旋桨的建模其主要难点在螺旋桨叶片曲面的生成。一般来说表示螺旋桨几何特征的参数主要有:螺旋桨直径D、螺距P、叶数Z、后倾角α、盘面比a

等。另外螺旋桨的图纸中还包括:叶片各剖面尺寸表、各剖面导边随边最大厚度处与母线的距离、侧视图(a)、投射轮廓图(b)、伸张轮廓图(c)等叶片的详细参数信息

。用以上信息共同来表示螺旋桨的几何形状(如图1.1所示)。实际应用过程中二维平面的图纸很难直观的反应螺旋桨的几何形状,导致在对螺旋桨进行优化、设计或校核计算时耗时较长。若能够直接根据给定参数生成三维模型,并用三维软件来进行螺旋桨转动惯量计算、叶片形状优化等工作,则可以大大提高工作效率。

AU型螺旋桨是日本运输技术研究所发展的螺旋桨系列,通常包含AU型、MAU型、AUw型和MAUw型。本文中以AU型螺旋桨为例进行参数化建模。主要参考AU螺旋桨桨叶轮廓尺寸表和AU型螺旋桨的叶切面尺寸表,示例见表1.1、1.2。螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称作导边,另一边称为随边,母线有称为桨叶参考线或叶面参考线,作为叶剖面的位置基准,如图1.2所示。

1.2 叶剖面的几何特征

螺旋桨的桨叶主要特征可分为母线、导边、随边、叶剖面、螺距分布(如图1.2所示)。单一桨叶的叶剖面的原始位置基准点是螺旋桨母线与各桨叶半径下的圆柱面交点,过交点与与桨叶各半径下的圆柱面相切的平面为基准平面(如图1.3所示)。

桨叶各半径处叶剖面的形状由桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表确定,以AU螺旋桨为例,其尺寸关系如图1.4所示,整个叶剖面最大宽度d=2.26D·a

/Z(直径D、叶数Z、盘面比a

),根据桨叶轮廓尺寸表可以得出各半径处的叶宽X

和叶厚Y

,再根据叶切面尺寸表可确定叶剖面特征点的坐标,连接各特征点可得螺旋桨叶剖面,连接各半径下的叶剖面即可得到螺旋桨的伸张轮廓图。可见叶剖面是由直径D、叶数Z、盘面比a

这三个参数决定。

1.3 伸张轮廓到实际轮廓的变换

在长期运行中,10kV 配电网的供电电压的大小与供电线路的损耗成反比。对此,有关供电企业应给予足够的重视,在不断加大电力负荷的同时,对于一些供电电压较低的城乡地区,应逐步推进 110kV、220kV 配电网络的建设,或在原有低压电网的基础上进行技术改造,陆续淘汰、拆除与国际标准不符的电压网络,尽可能的避免变电容量存有重复,以简化电压等级的方式来降低线路损耗。

第一步:叶剖面曲线沿着螺旋桨旋转轴向后平移距离L;

7)利用Creo的“边界混合”功能建立曲面,对所形成的的封闭曲面进行“延伸”“合并”操作;

第二步:将叶剖面曲线旋转角度θ,该角度为螺旋桨半径r处的螺距角;

营业员勉强地笑着,“没事,有点低血糖,头有点晕。小姐喜欢哪套?”总共试穿了四套,颜晓晨最喜欢第三套,而且正好是特价品,打四折,

3)利用Creo的“选择性粘贴-对副本应用移动/变换”功能对叶剖面曲线进行平移和旋转;

第三步:将旋转后的叶剖面曲线投影到半径为r的圆柱曲面,投影后曲线为螺旋实际轮廓线。螺旋桨曲面实际上是由多个转换后的叶剖面曲线连接而成,如如图1.6所示。

为了能够将螺旋桨的三维模型参数化,模型的建立需要跟螺旋桨的几何特征相互关联,不能直接使用螺旋桨曲面的实际坐标来生成螺旋桨的三维模型,应根据螺旋桨的建立螺旋桨的桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表建立标准的叶剖面曲线,再将叶剖面曲线根据螺旋桨的几何特征从伸张轮廓变换到实际轮廓,最后生成实际螺旋桨的三维模型。以AU螺旋桨为例,Creo制作螺旋桨曲面基本步骤如下:

1)建立各半径处的基准面与基准线、包含圆柱曲面、基准平面、母线(轴线);

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2)在基准平面建立叶剖面特特征点(基准点);
通过草绘绘制叶剖面曲线;

6)连接实际叶剖面曲线的端点,生成轮廓曲线,并对曲线进行适当的修剪便于叶片曲面建立;

在多种机制作用下,数学益智游戏“菜单”初步成型。每一学段数学益智游戏校本课程的设计板块主要包括:游戏准备—游戏规则—游戏实施—游戏评价。其中,游戏准备包括游戏所需学具的介绍或游戏背景知识的简介;
游戏规则是游戏的方法说明;
游戏实施则为具体的游戏演示;
游戏评价注重学生在游戏中的体验和感悟。

4)利用Creo的“包络”功能将平移旋转后的曲线投影到圆柱曲面;

5)重复1-4步,得到各半径处的实际叶剖面曲线,如图2.1所示;

从螺旋桨的伸张轮廓至螺旋桨的实际轮廓牵扯到系列的空间坐标转换,其坐标点的计算较为复杂

。但从几何变换的角度可将叶剖面的变换分解为三个步骤(如图1.5所示):

但很显然,由于间接侵权制度已经被广泛接受,如果未经专利权人许可而提供这些产品,往往会被认定为侵权,因此专利权人的独占权利范围实际已经及于这些产品。这样,当专利权人同意而售出这些产品时,与其同意售出“专利产品”、“依据专利方法直接获得的产品”没有什么不同,专利权人已经可以从中获得利益。

L=r·tan α,α为后倾角,r为圆柱面半径

8)利用Creo的“实体化”功能得到一个完整叶片三维模型,如图2.2所示;

9)根据螺旋桨叶数Z,对叶片进行阵列操作,即可得到螺旋桨叶片三维模型;

10)利用Creo的“旋转”功能绘制轮毂,结果如图2.3所示,得到螺旋桨三维模型。

螺旋桨轮毂无标准尺寸,可在模型中建立一个建议轮毂,后续根据具体需求调整轮毂的具体尺寸。

综上所述,AU桨其叶片主要参数仅有5个,分别为螺旋桨直径D、螺距P、叶数Z、后倾角α、盘面比a

,螺旋桨叶片的实际形状就是根据桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表结合上述五个主要参数生成。其中直径D、叶数Z、盘面比a

决定了叶剖面形状参数,直径D、螺距P、后倾角α决定了叶片几何变换参数。因此在进行螺旋桨三维模型参数化建模过程中,主要对两个方面进行参数化,一是在叶剖面草绘视图中对叶剖面特征点的坐标进行参数化,二是对叶剖面进行几何变换的特征命令进行参数化。参数化过程中主要数据关系如表3.1所示。参数化模型后可通过修改直径D、螺距P、叶数Z、后倾角α、盘面比a

这五个参数实现螺旋桨三维模型的快速生成。

近些年来青海藏毯生产几乎占据了全国藏毯生产的90%以上,出口量为全国手工地毯的30%,每年产值达40亿元。从2004年至今,青海已连续成功举办了14届“藏毯国际博览会”。2016年、2017年、2018年青海“藏毯展”达成的意向签约和合同订单分别为19050万美元、1.96亿美元、1.96亿美元。

桐庐县气象台7月26日9时、12时发布的短期天气预报指出:“明天晴到多云,午后局部有阵雨或雷雨,偏南风3级,气温26~38 ℃”。15时、18时发布的短期天气预报指出:“明天晴到多云,午后局部有阵雨或雷雨,雷雨时短时风雨较大,偏南风3级,气温27~38 ℃”。

综上所述,利用参数化建模的思想,结合螺旋桨的几何特征,可以利用Creo的建模功能和定义尺寸“关系”功能,实现仅输入螺旋桨的主要特征参数就可以自动生成螺旋桨三维模型。该方法可以大大加快螺旋桨的建模效率,方便我们队螺旋桨的质量、转动惯量的快速计算、能够提高螺旋桨的改进设计的效率。同时利用Creo的“族表”功能可以像建立标准零件库一样,建立一个螺旋桨三维模型数据库,提高三维模型利用率。

该文章中仅讨论基于AU螺旋桨的三维建模方法,其模型的建立仍有较多可改进的地方,例如:通过增加一个‘左旋’‘右旋’变量,用来控制螺旋桨叶剖面旋转角度的旋转方向,实现左旋桨和右旋桨的生成。另外螺旋桨的轮毂目前标准的参数化模型,可根据实际工作中的需求及经验,进行轮毂的自定义参数关系。同时通过进一步优化对参数“关系”的定义可考虑将AU、MAU、AUw多种相近的螺旋桨集成到一个模型中。此外,对于非标准螺旋桨,可考虑利用Creo的导入坐标功能,实现部分参数化建模,导入的坐标点可以是叶剖面伸张轮廓特征点,其几何变换仍可以通过Creo的命令来实现,依然能够大大简化三维建模难度,提高工作效率。

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