單東生，龔京風(fēng)，姚炎炎，王 晴

（1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064）

1 引言

螺旋槳由于性能良好、效率較高等特點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的艦船推進(jìn)設(shè)備。它通過旋轉(zhuǎn)方式將主機(jī)傳遞過來的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為對(duì)外的推力，執(zhí)行船舶動(dòng)力的輸出。螺旋槳槳葉是典型的自由曲面零件，建模的關(guān)鍵問題是較難準(zhǔn)確、快速得到螺旋槳葉切面的空間三維坐標(biāo)。螺旋槳的形狀無法用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，只能用數(shù)百個(gè)甚至更多的型值點(diǎn)來表示，并且從二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到三維螺旋槳模型，需要大量的坐標(biāo)變換及建模操作。

近年來，文獻(xiàn)[1]提出了螺旋槳型值點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算程序設(shè)計(jì)方法，通過ProE軟件將數(shù)據(jù)文件手動(dòng)導(dǎo)入進(jìn)行實(shí)體建模，但未進(jìn)行型值點(diǎn)導(dǎo)入軟件后的快速建模方法研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)UG/Grip進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)螺旋槳建模關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，對(duì)槳葉葉尖、根部過度等關(guān)鍵部位進(jìn)行合理處理，建立精確的三維螺旋槳模型。文獻(xiàn)[3]利用MATLAB計(jì)算螺旋槳槳葉空間坐標(biāo)點(diǎn)，通過ProE一次性讀入空間坐標(biāo)點(diǎn)，但需手動(dòng)建立三維實(shí)體螺旋槳。文獻(xiàn)[4]利用Ex‐cel手動(dòng)操作完成槳葉型值點(diǎn)的計(jì)算，采用VB.NET 語(yǔ)言編寫程序，將Excel里的型值點(diǎn)坐標(biāo)值數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA 中，生成型值點(diǎn)云圖，但最終仍需手動(dòng)完成螺旋槳三維模型的建立。

針對(duì)螺旋槳葉片模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，手工進(jìn)行三維建模操作繁瑣，并且容易出錯(cuò)，需花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，本文提出了一種快速、精確地螺旋槳建模方法。通過VB.NET對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了從輸入螺旋槳數(shù)據(jù)、螺旋槳三維空間點(diǎn)的計(jì)算及螺旋槳三維實(shí)體模型建立完全程序化，使得復(fù)雜的螺旋槳建模變得簡(jiǎn)單易操作。

2 螺旋槳槳葉型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)

螺旋槳二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由不同半徑的同軸圓柱面與槳葉相切，經(jīng)過復(fù)雜投影變換得到。

二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是局部平面坐標(biāo)系內(nèi)的數(shù)值，不可以直接用于三維建模，需要將各半徑處的葉切面二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還原到對(duì)應(yīng)的三維空間坐標(biāo)系中[5]。

螺旋槳二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：葉片弦長(zhǎng)方向坐標(biāo)X，葉片葉背及葉面坐標(biāo)（葉背及葉面與弦線的垂直距離）Y1、Y2，弦長(zhǎng)C，螺距P，半徑r，螺距角b，縱傾Ra，側(cè)斜Cs。通過以上參數(shù)，可以推導(dǎo)出從平面局部坐標(biāo)系到空間全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換公式。

首先建立坐標(biāo)系：以螺旋槳軸線為z軸，指向船尾為正；以弦長(zhǎng)為y軸，指向隨邊為正。由已知的X、Y1、Y2繪制葉片展開型線，如圖1所示。葉片型線坐標(biāo)為：

圖1 葉片展開型線Fig.1 Profile of Blade Expansion

式中：X—葉片弦長(zhǎng)方向坐標(biāo)；C—弦長(zhǎng)；Y1、Y2—葉片葉背及葉面坐標(biāo)（葉背及葉面與弦線的垂直距離）；y0—由輸入表格中得到的葉片型線y坐標(biāo)；z0背—由輸入表格中得到的葉片型線葉背z坐標(biāo)；z0面—輸入表格中得到的葉片型線葉面z坐標(biāo)。

將葉片二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)沿y軸移動(dòng)Cs距離，繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度，然后沿z軸正方向移動(dòng)總縱頃Ra距離，最后向同軸圓柱面投影，得到各切面處型值點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。最終得到螺旋槳葉切面二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與三維型值點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換公式：

式中：x背—葉背x軸坐標(biāo)值；y背—葉背y軸坐標(biāo)值；z背—葉背z軸坐標(biāo)值；x面—葉面x軸坐標(biāo)值；y面—葉面y軸坐標(biāo)值；z面—葉面z軸坐標(biāo)值；r—半徑；X—給定的葉片弦長(zhǎng)方向坐標(biāo)；C—弦長(zhǎng)；Cs—側(cè)斜；β—螺距角；Y1—葉背與弦線的垂直距離；Y2—葉面與弦線的垂直距離；Ra—縱傾。

3 螺旋槳自動(dòng)建模方法研究

采用Excel完成螺旋槳二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和三維型值點(diǎn)的存儲(chǔ)，利用CATIA完成螺旋槳三維型值點(diǎn)的導(dǎo)入、曲面建模、實(shí)體填充等建模流程。選用VB.NET編程語(yǔ)言將螺旋槳槳葉型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換公式程序化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與Excel、CATIA軟件的交互，最終輸出三維螺旋槳模型，建模過程中不再需要人工繁瑣操作。螺旋槳自動(dòng)建模流程圖，如圖2所示。

圖2 螺旋槳自動(dòng)建模流程圖Fig.2 Flow Chart of Propeller Automatic Modeling

3.1 數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)

在VB.NET環(huán)境下訪問Excel文件，需要引用Excel對(duì)象庫(kù)[6]。添加的方法是在項(xiàng)目菜單欄下，選擇添加引用子菜單，然后在添加引用對(duì)話框的Com 選項(xiàng)卡下選擇Microsoft Excel 14.0 Object Library，如圖3所示。

圖3 添加Excel對(duì)象庫(kù)Fig.3 Addition of the Excel Object Library

螺旋槳二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照固定格式存儲(chǔ)在Excel中，程序?qū)⒆詣?dòng)讀取Excel中的數(shù)據(jù)，利用螺旋槳槳葉數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算得到螺旋槳三維空間型值點(diǎn)，并存儲(chǔ)在三維型值點(diǎn)Excel文件中，便于后續(xù)導(dǎo)入CATIA。型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換公式程序代碼如下所示：

XB=r*System.Math.Cos（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y1*System.Math.Sin（beta））/r）

YB=r*System.Math.Sin（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y1*System.Math.Sin（beta））/r）

ZB=（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Sin（beta）?Y1*System.Math.Cos（beta）+Ra

XC=r*System.Math.Cos（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y2*System.Math.Sin（beta））/r）

YC=r*System.Math.Sin（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y2*System.Math.Sin（beta））/r）

ZC=（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Sin（beta）?Y2*System.Math.Cos（beta）+Ra

3.2 螺旋槳自動(dòng)建模

3.2.1 螺旋槳三維建模方法

螺旋槳在CATIA 中的建模過程為：（1）按照槳轂尺寸數(shù)據(jù)，構(gòu)建槳轂；（2）將槳葉三維型值點(diǎn)導(dǎo)入，按各截面位置連接成曲線，得到型值點(diǎn)云圖，如圖4所示；（3）通過多截面曲線，曲面填充等操作，得到閉合的槳葉曲面；（4）將曲面縫合，形成實(shí)體；（5）以Z軸為軸線，將槳葉進(jìn)行圓周陣列，得到完整螺旋槳，如圖5所示。

圖4 槳葉曲面型值點(diǎn)Fig.4 Points of Blade Surface

圖5 螺旋槳實(shí)體模型Fig.5 Model of the Propeller

3.2.2 CATIA的二次開發(fā)

通過編程方式訪問CATIA對(duì)象有進(jìn)程內(nèi)訪問和進(jìn)程外訪問兩種方式。進(jìn)程內(nèi)訪問是指腳本和CATIA 在同一進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行，即在CATIA環(huán)境中運(yùn)用宏腳本實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)程外訪問是指腳本運(yùn)行不由CATIA 調(diào)用，CATIA 作為一個(gè)OLE（Object Linking and Embedding）自動(dòng)化服務(wù)器，外部程序通過COM（Component Object Model）接口來訪問CATIA內(nèi)部的對(duì)象[7]。與進(jìn)程內(nèi)訪問相比，進(jìn)程外訪問功能強(qiáng)大，能夠制作個(gè)性化用戶界面，創(chuàng)建修改CATIA環(huán)境的數(shù)據(jù)參數(shù)，并且擁有豐富的函數(shù)庫(kù)來滿足復(fù)雜的開發(fā)需要[8]，因此本文選擇進(jìn)程外訪問。

CATIA的二次開發(fā)主要有兩種：一種采用Automation技術(shù)，另一種采用CAA（Component Application Architecture，組件應(yīng)用架構(gòu)）技術(shù)[9]。

由于CAA 開發(fā)中涉及大量復(fù)雜的設(shè)計(jì)模式，而且必須用C++開發(fā)，編譯環(huán)境也必須是達(dá)索提供的編譯環(huán)境，而Automation開發(fā)可以基于C++，也可以使用C#、VB.NET等語(yǔ)言，這使得開發(fā)難度大大降低。這里以VB.NET為開發(fā)工具，利用Automation技術(shù)，建立進(jìn)程外應(yīng)用程序的方法進(jìn)行二次開發(fā)工作。

在Visual Studio下對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，需要引用CATIA的對(duì)象庫(kù)。與引用Excel對(duì)象庫(kù)步驟相同，引用CATIA對(duì)象庫(kù)只需在添加引用對(duì)話框中選擇“CATIA V5 GSMInterfaces Object Li‐brary”，“CATIA V5 MecModInterfaces Object Library”，“CATIA V5 PartInterfaces Object Library”，“CATIA V5 ProductStructureIn‐terfaces Object Library”。

上述對(duì)象庫(kù)的引用包含了零件設(shè)計(jì)、GSD模塊、裝配設(shè)計(jì)等基本模塊。如需對(duì)其他模塊中操作，添加相關(guān)對(duì)象庫(kù)即可。在引用對(duì)象庫(kù)后，需要在代碼最前面加入相關(guān)Imports 語(yǔ)句，如下所示：

Imports ProductStructureTypeLib

Imports MECMOD

Imports PARTITF

Imports HybridShapeTypeLib

通過進(jìn)程外訪問CATIA，存在GetObject或CreateObject兩種方法連接到CATIA上。其中，GetObject方法是在CATIA已經(jīng)運(yùn)行時(shí)建立連接，而CreateObject方法則是先啟動(dòng)CATIA后再建立連接。

一般將兩種方法合并起來使用，即無論CATIA是否運(yùn)行，程序都可以訪問CATIA，代碼如下：

Dim CATIA As Object

On Error Resume Next

CATIA=GetObjec（t，"CATIA.Application"）

If Err.Number<>0 Then

CATIA=CreateObjec（t"CATIA.Application"）

CATIA.Visible=True

End If

On Error GoTo 0

與CATIA 建立連接，將建模過程宏錄制產(chǎn)生的VBScript 腳本進(jìn)行修改，得到可使用的VB.NET腳本，從而避免大量繁瑣代碼的編寫，提高開發(fā)效率[10]。

3.3 軟件界面設(shè)計(jì)

采用VB.NET建立的螺旋槳自動(dòng)建模軟件界面，如圖6所示。為了方便操作，界面上設(shè)置了三個(gè)按鈕、若干個(gè)TextBox控件以及一個(gè)PictureBox控件。通過單擊“打開Excel”按鈕，可以選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的Excel文件；單擊“讀取數(shù)據(jù)”按鈕，軟件讀取槳葉數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為三維型值點(diǎn)；最后單擊“螺旋槳生成”按鈕，在CATIA中自動(dòng)生成螺旋槳實(shí)體模型。

圖6 螺旋槳自動(dòng)建模軟件界面Fig.6 Interface of Propeller Automatic Modeling Software

4 螺旋槳自動(dòng)建模方法驗(yàn)證

4.1 槳葉光順性檢查

利用本文建立的螺旋槳自動(dòng)建模方法，基于P4119螺旋槳二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立槳葉三維模型。利用斑馬線檢查槳葉曲面光順性，結(jié)果，如圖7所示。

圖7 槳葉光順性檢查Fig.7 Inspection of Blade Smoothness

由圖可以看到，靠近槳轂處的斑馬線較為平滑，而葉稍處波動(dòng)較大，即葉稍處曲面不夠光順，因此需要通過CATIA對(duì)其構(gòu)成曲線進(jìn)行光順性調(diào)整。

4.2 槳葉模態(tài)分析

將建立的p4119螺旋槳單個(gè)槳葉模型導(dǎo)入Workbench中，進(jìn)行模態(tài)分析。螺旋槳的楊氏模量為127GPa，泊松比為0.33，密度為8410kg/m3。采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元長(zhǎng)度為2 mm，網(wǎng)格總數(shù)為13209，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為24306，如圖8所示。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite Element Model

將槳葉底面設(shè)置固定約束進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，模態(tài)分析結(jié)果，如表1所示，各階振型圖，如圖9所示。

表1 螺旋槳葉前5階固有頻率Tab.1 First Five Natural Frequencies of Propeller Blades

模態(tài)分析獲得物體的固有頻率和振型，并且固有頻率是其本身的一種物理特征，由結(jié)構(gòu)、大小、形狀等因素決定。根據(jù)模態(tài)振型圖，看出葉梢部分變形最大，如圖9所示。與文獻(xiàn)[11]計(jì)算得到的前五階固有頻率相比，偏差都在5%以內(nèi)。主要原因是文獻(xiàn)[11]將FLUENT 劃分的網(wǎng)格模型經(jīng)過編程處理導(dǎo)入ANSYS 中，有限元模型建模方法以及網(wǎng)格模型不同，使得這里計(jì)算結(jié)果與其相比有所差別。

圖9 單個(gè)槳葉前5階振型Fig.9 First Five Modes of the Single Blade

5 結(jié)論

這里利用VB.NET語(yǔ)言開發(fā)了螺旋槳自動(dòng)建模軟件，介紹了對(duì)Excel及CATIA軟件開發(fā)內(nèi)容，通過軟件建立p4119模型，并且運(yùn)用光順性檢查和模態(tài)分析檢驗(yàn)螺旋槳建模的正確性，得到如下結(jié)論：

（1）運(yùn)用推導(dǎo)的型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換公式并且程序化，實(shí)現(xiàn)二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到三維型值點(diǎn)的批量轉(zhuǎn)換，提高轉(zhuǎn)換效率以及正確率。

（2）通過對(duì)CATIA 的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)螺旋槳的自動(dòng)建模，避免手動(dòng)建模的繁瑣操作。

（3）基于本文提供的建模方法，可以有效簡(jiǎn)化建模過程，提高建模效率，為船用螺旋槳提供三維建模工具，為螺旋槳后續(xù)水動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性等研究提供了便利。