劉 勝， 張麗敏

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200336；

2. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

計算機(jī)輔助技術(shù)在螺旋槳總圖繪制上的應(yīng)用

劉 勝1， 張麗敏2

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200336；

2. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

利用AutoCAD提供的二次開發(fā)工具VBA實(shí)現(xiàn)了螺旋槳總圖的自動繪制，詳細(xì)介紹了螺旋槳總圖繪制的方法與步驟，重點(diǎn)從伸張輪廓的繪制、正投影輪廓的繪制和側(cè)投影輪廓的繪制三方面說明了螺旋槳總圖繪制的實(shí)現(xiàn)過程。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了常規(guī)螺旋槳計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)能提高工作效率，為船用螺旋槳的精確和高效繪圖尋求了一條新的途徑。

計算機(jī)應(yīng)用；螺旋槳；二次開發(fā)；伸張輪廓

螺旋槳設(shè)計是船舶設(shè)計中重要的組成部分。隨著造船工業(yè)的飛速發(fā)展，手工計算由于工作量大、效率低、且有一定的讀數(shù)誤差，已經(jīng)不能適應(yīng)設(shè)計單位和造船廠的需要。為此，許多單位和機(jī)構(gòu)都在研制開發(fā)螺旋槳的計算機(jī)輔助設(shè)計程序，并取得了一定的進(jìn)展[1-5]。本文用 AutoCAD提供的VBA(Visual Basic for Applications)應(yīng)用程序系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，完成常規(guī)螺旋槳總圖的自動繪制工作。經(jīng)實(shí)例校核，設(shè)計結(jié)果比較準(zhǔn)確，能夠用于生產(chǎn)實(shí)際。

1 螺旋槳及螺旋槳總圖

船用螺旋槳是船舶推進(jìn)器的一種。它的主要作用是把船舶主機(jī)的動力轉(zhuǎn)變?yōu)橥屏?，以克服船舶前進(jìn)時所受的阻力。圖1為螺旋槳的結(jié)構(gòu)圖，通常螺旋槳由槳轂和槳葉兩部分組成，槳轂是固定槳葉并連接槳軸的回轉(zhuǎn)體。槳轂的大端為船首方向，小端為船尾方向。該螺旋槳正車運(yùn)轉(zhuǎn)時，槳葉上先入水的一邊稱為導(dǎo)邊，后入水的一邊稱為隨邊。

圖1 螺旋漿結(jié)構(gòu)圖

螺旋槳總圖的主要目的是給出螺旋槳的形狀及各部結(jié)構(gòu)，以便能按總圖繪制施工詳圖供制造需要。圖2為螺旋槳總圖，包括伸張輪廓圖、正投影輪廓圖、側(cè)投影輪廓圖。取螺旋槳軸線垂直投影面，槳轂小端朝外，得正投影圖，如圖2(b)所示。側(cè)投影面位于正投影的左邊，為螺旋槳右視圖。用與槳軸同軸的圓柱面剖切槳葉，展開后的剖面形狀要根據(jù)設(shè)計要求決定。如圖2中Q-Q剖面，其圓柱面半徑為0.6R，展開剖面在該半徑處傾斜成螺旋升角φ，伸張輪廓是指其中每個展開剖面都轉(zhuǎn)動了一個升角φ而平放著，其包絡(luò)輪廓比實(shí)際投影輪廓要大。在螺旋槳的設(shè)計中，一般采用專門的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，但通常僅得到螺旋槳的主要要素 和水動力性能[6]，缺乏圖形生成功能。通過計算機(jī)自動繪制總圖，能縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。

圖2 螺旋槳總圖

2 螺旋槳總圖輸出的繪制方法與步驟

螺旋槳總圖包括伸張輪廓、正投影輪廓、側(cè)投影輪廓三圖。下面分別對其繪制方法加以介紹。

2.1 伸張輪廓的繪制

螺旋槳伸張輪廓圖包括伸張輪廓曲線和葉切面輪廓。

2.1.1 伸張輪廓曲線的繪制

螺旋槳的伸張輪廓曲線是將各半徑處共軸圓柱面與槳葉相截的各切面展成平面后，以其弦長置于相應(yīng)半徑的水平線上，并光滑連接端點(diǎn)所得之輪廓[7]。通常在設(shè)計中，已決定了螺旋槳各半徑處切面形狀和槳葉的伸張輪廓。根據(jù)螺旋槳的葉數(shù)、盤面比和直徑，由型值表，可得出螺旋槳各半徑處的切面形狀和槳葉的伸張輪廓。對于AU型槳葉片最大寬度在0.66r/R處，計算公式為

式中，Hmax為最大航速；D為螺旋槳直徑；Z為槳葉數(shù)；AE為盤面面積；A0為最小盤面面積。

伸張輪廓曲線圖形繪制過程中用的最多的線條就是B樣條曲線。B樣條曲線在AutoCAD中被稱為Spline曲線，它可以將平面或空間上的任意3個點(diǎn)或3個以上的點(diǎn)，連成一條光滑的曲線。要創(chuàng)建一條B樣條曲線，使用AddApline方法。該方法要求的參數(shù)有存放構(gòu)線點(diǎn)的數(shù)組、起始點(diǎn)切線方向和終止點(diǎn)切線方向。其語法如下：

創(chuàng)建方式：ThisDrawing.ModelSpace.AddSpline ThisDrawing.PaperSpace.AddSpline BlockObject.AddSpline

程序在運(yùn)行過程中鏈接并打開型值表，查詢所需單元值，將各半徑處共軸圓柱面與槳葉相截的各切面展成平面后，以其弦長置于相應(yīng)半徑的水平線上，光順聯(lián)接端點(diǎn)即得伸張輪廓，如圖3所示。2.1.2 葉切面輪廓的繪制

圖3 螺旋漿伸張輪廓

螺旋槳的伸張輪廓由伸張輪廓曲線和若干半徑(8～9個)處的葉切面形狀組成。各半徑處葉切面輪廓一般由一曲線段和一折線組成。以往開發(fā)的切面繪制程序，對于每個切面都采用獨(dú)立編寫代碼，從而導(dǎo)致代碼的冗長。在本程序中，通過循環(huán)控制來繪制各個切面。AU、MAU系列槳有 0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.95九個切面，通過循環(huán)控制查詢Excel單元格值，再乘以相應(yīng)計算值，得出各半徑切面上的點(diǎn)進(jìn)而繪制處切面形狀，從而就可以減少代碼的長度，提高運(yùn)行效率。葉切面尺寸如表1所示。

表1 葉切面尺寸

使用Spline對象中AddApline方法，可以繪制B樣條曲線，完成葉切面輪廓中的曲線部分；使用LightWeightPolyline對象中的AddLightWeightPolyline方法，可以繪制葉切面輪廓中的折線部分，葉切面輪廓如圖3。代碼如下：

2.2 正投影輪廓圖的繪制

圖4 螺旋槳幾何作圖

螺旋槳正投影輪廓圖可以用不同r/R處導(dǎo)邊和隨邊上對應(yīng)點(diǎn)，用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)[8-11]，如圖4所示。以A'為坐標(biāo)原點(diǎn)，C'點(diǎn)為正投影輪廓導(dǎo)邊上的點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x1,y1)，B'點(diǎn)為正投影輪廓圖隨邊上的點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x2,y2)。

式中，D為螺旋槳直徑；P為螺旋槳螺距；R為螺旋槳半徑；r為螺旋槳葉切面半徑；H1為輻射基線到導(dǎo)邊的距離；H2為輻射基線到隨邊的距離。

2.3 側(cè)投影圖的繪制

在側(cè)投影圖上，作垂直于漿軸的線A''K''， 由B'求出B''，使B''到A''K''的距離為BM，依次求出不同R處的各個B''，連接即得一部分投影輪廓。D點(diǎn)為展開剖面圖形中的最大y坐標(biāo)點(diǎn)，在正投影圖的圓弧上取D APA′′=，得D'。由D'求出D''，使D''到A''K''的距離為DP，依次求出不同R處的各個D''，連接即得另一部分投影輪廓。

螺旋槳側(cè)投影輪廓可以通過不同r/R處導(dǎo)邊和隨邊上的對應(yīng)點(diǎn)，用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。以A''為坐標(biāo)原點(diǎn)，D''點(diǎn)為側(cè)投影輪廓導(dǎo)邊上的點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x3,y3)，B''點(diǎn)為側(cè)投影輪廓隨邊上的點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x4,y4)。

式中，α，β如式（6），式（7）；φ為螺旋升角；θ為螺旋槳槳葉縱斜角；R為螺旋槳半徑；r為螺旋槳葉切面半徑；H1為輻射基線到導(dǎo)邊的距離；H2為輻射基線到隨邊的距離。

3 程序設(shè)計的運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行程序，通過用戶輸入主要參數(shù)，計算出葉片輪廓，葉切面型值、螺旋槳的重量和慣性矩，自動繪制伸張輪廓，正投影圖和側(cè)投影圖，同時自動完成標(biāo)題欄，參數(shù)表和尺寸標(biāo)注。運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 螺旋槳總圖

為了驗(yàn)證成果的可操作性，作者選擇了多個案例進(jìn)行驗(yàn)證。對比MAU型和B型系列螺旋槳的手工計算和計算機(jī)輔助設(shè)計的結(jié)果，誤差大都在5/1000以內(nèi)，能滿足工程的需要。

4 結(jié) 束 語

本軟件是基于 AutoCAD平臺，應(yīng)用AutoCAD VBA二次開發(fā)出的常規(guī)螺旋槳計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)，只要用戶選擇好常規(guī)螺旋槳的設(shè)計類型并輸入相應(yīng)的參數(shù)后，即能自動實(shí)現(xiàn)各類常規(guī)螺旋槳的設(shè)計和繪圖工作，并能自動生成計算書。經(jīng)過實(shí)例校驗(yàn)，本系統(tǒng)完全能夠用于螺旋槳的設(shè)計，同時，由于本系統(tǒng)對支持環(huán)境要求不高，使用、維護(hù)均較方便，故本設(shè)計系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用的價值和條件。

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Application of propeller drawing based on computer aided drawing

Liu Sheng1, Zhang Limin2
( 1. College of Machanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200336, China;2. 27th Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Zhengzhou Henan 450047, China )

The propeller automatical drawing is obtained by using the secondary-development technology VBA of AutoCAD. The method and basic steps to achieve drawing of propeller are introduced, especially the drawing of expanded outline, project outline and side projection. And the computer aided design system of conventional propeller is developed on the base of it. The system can improve the efficiency of design and find a new way to plot marine propeller exactly and effectively.

computer application; propeller; secondary-development; expanded outline

TP 391

A

1003-0158(2012)01-0015-04

2009-06-16

上海市選拔培養(yǎng)高校優(yōu)秀青年教師專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（05XPYQ36）

劉 勝（1977-），女，湖南益陽人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)镃AD/CAM/CE。