CN106844966B - 一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法，公开了一种定距桨叶面叶背精确建模的新方法，包含定距桨叶面数据测量，叶厚测量尺寸T，以及相对于叶面零线的偏转角度α，然后计算出叶面点的空间左边X、Y、Z：X＝R cosα,Y＝R sinα,Z＝H。运用空间几何学以及曲面解析数学表达式，曲面可表示为双参数u和v的失函数P＝P(u，v)，用于工业产品形状数学描述的标准形式，曲线曲面的形状控制，曲线曲面的光滑链接与统一表示。该方法易于实现对螺旋桨叶片形状的控制，不仅具有控制整体的能力，也具有局部控制能力，与当前的设计方法相比更加准确，设计效率大大提高，缩短整个螺旋桨建造周期。此建模方法具有占用数据资源少，数据处理速度快，准确率高。

Description

一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法

技术领域

本发明涉及船用螺旋桨设计制造领域，具体是一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法。

背景技术

船用螺旋桨桨叶截面厚度关系到桨叶的强度、寿命以及推力效率。叶厚尺寸在测量、设计、制造中均为至关重要的指标。船用螺旋桨一般工况较为复杂，对叶厚这一尺寸的要求更为严格，螺旋桨设计不合理不仅会导致趟水效率低下，严重时将导致桨叶弯曲、倾斜、折断等后果，从而造成各种事故。目前桨叶厚度的测量与建模方法主要为根据设计厚度进行转换法，以及展开缠绕法皆存在较大误差。

例如，采用坐标变换的方法计算螺旋桨曲面点，其原理与展开缠绕方法类似，将曲线投影到平面上，然后做出垂直厚度线，再进行缠绕到螺旋桨叶切面上，这个方法存在着直线代替曲线，曲线替换直线，那么误差必然存在。

或者另外一种方法为叶面叶背型值点全部测量得到，一方面测量工作量较大，数据处理容易出错，且人工测量必然存在误差，叶背叶面测量误差叠加，可能造成加工所得的螺旋桨不合格。

以上两种方法皆存在较大的误差，且建模效率低，工作量庞大。

发明内容

发明目的：提供一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法，并将其运用到当前船用螺旋桨测量、设计、建模和制造中，以改进当前误差大、精度低、效率慢等缺点。

技术方案：一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法，包括叶面建模与叶背建模，其中叶面建模包括如下步骤：

S1、以桨毂中心为定位基准；以螺旋桨桨毂上表面为测量基准；以桨毂基准中心为圆心；

S2、以5°及10°角度递增画测量线，分导边与随边两个方向分别设置测量线，所述测量线与0.3R、0.4R、0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R、0.975R、1.0R线的交点，每条等R线的半径用R_i表示，i＝0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.95,0.975,1.0；得到的交点则为螺旋桨桨叶的叶面关键点A_ij，i＝0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.95,0.975,1.0；j为每条等R线上关键点个数，为正整数，一般不超过25个即：1≤j≤25；

S3、测得每个关键点A_ij与测量基准的相对高度h_ij，测量桨毂高度H；

S4、用桨毂下表面为基准平面，计算每个关键点在建模时的高度H_ij＝H-h_ij；

S5、将圆柱坐标系下的R_i，α_ij、H_ij，转换为直角坐标系下的坐标：

Xij＝Ricosαij,Yij＝Risinαij,Zij＝Hij；

(0<H_ij<H,i＝0.3,0.4……0.9,0.975,1.0；1≤j≤25,j为正整数)；

得到直角坐标系下的叶面关键点A_ij的坐标；

S6、根据直角坐标系下的桨叶叶面关键点坐标，以坐标系原点为基准，建立相应的基准点；依次连接每条R线上的基准点得到桨叶叶面的曲线结构图，通过拟合曲线结构图的方法得到毛坯浆叶叶面。

在进一步的实施例中，该建模方法还包括：

S7、计算切削余量，步骤如下：

S7.1、采集每个叶面关键点A_ij对应的理论值D_ij，通过步骤S1至S5计算每个理论值的坐标K_ij；

S7.2、螺旋桨理论模型与毛坯模型的建模基准都为桨毂下表面，则桨叶叶面的加工余量ΔL_ij＝Z_ij-K_ij；

S7.3、测量去除加工余量后的螺旋桨叶面关键点三坐标数据，作为叶背建模的基准。

在进一步的实施例中，所述叶背建模包括：

S8.1、读取去除余量后的叶面关键点A_ij的直角坐标数据；

S8.2、将叶面关键点A_ij的直角坐标，代入下述公式，得到空间曲面的双参数u、v单位矢量；

[u，v]＝0；

其中：a_ij为曲面各关键点的单位法向矢量；为曲面的u向矢量方程；ψ_j(v)为曲面的v向矢量方程；

S8.3、由于空间曲面的双参数u、v单位矢量相互垂直，且桨叶叶面上每个关键点的法向矢量σ_ij与双参数u、v单位矢量两两垂直，通过下式可求得曲面的单位法向向量σij；

S8.4、依次读取螺旋桨叶面上各个关键点对应的叶厚数据T_ij，根据每个特征点都有对应的叶厚值T_ij以及对应的曲面单位法向量σ_ij，将曲面单位法向量σ_ij延长至σ_ij的T_ij倍，获取对应法向线段σ_ij的终点坐标C_ij，接叶面关键点A_ij和终点坐标C_ij画出法向线段；

S8.5、依次建立上述法向线段的终点为基准点B_ij；

S8.6、基准点建立完毕后，删除法向线段，以免影响视觉效果；

S8.7、分别连接从0.3R到1.0R截面每个R线上的法向线段终点，得到叶背曲面的曲线框架；通过上述十条截面空间曲线构成曲线组拟合成浆叶叶背。

在更进一步的实施例中，一种船用螺旋桨精确建模方法，包括如下步骤：

1)产品设计初始化；

2)读取浆叶叶面数据；

3)建立浆叶叶面点、线和面；

4)获取叶面上曲线的特征点；

5)对叶面上特征点进行误差分析；

6)如果不满足公差精度要求则转到步骤2)，进行页面点误差修正，重新读取修正后的浆叶叶面数据；

7)如果满足公差精度要求，则进行数学模型变换，计算浆叶叶面曲面参数u、v；

8)提取浆叶叶面的单位法向量σ_ij；

9)将叶面的单位法向量扩大至T_ij倍；

10)建立叶背上点、线、面；

11)拟合出螺旋桨叶片实体。

有益效果：本发明的船用螺旋桨精确建模方法，易于实现对螺旋桨叶片形状的控制，不仅具有控制整体的能力，也具有局部控制能力，与当前的设计方法相比更加准确，设计效率大大提高，缩短整个螺旋桨建造周期。此建模方法具有占用数据资源少，数据处理速度快，准确率高，对螺旋桨复杂曲面的建模具有指导作用。总之，本发明与当前的设计方法相比更加准确，设计效率大大提高，缩短整个螺旋桨建造周期。

附图说明

图1为本发明中所述的定距桨精确建模流程图。

图2为本发明中所述螺旋桨叶面关键点及曲面U-V法向量布局图。

图3为本发明中所述螺距规测量螺旋桨原理图。

图4为本发明所需定距旋桨桨叶结构图。

图5为本发明所需桨叶截面厚度图。

具体实施方式

本发明所述的一种船用螺旋桨精确建模方法是应用空间几何学和空间曲面数学解析表达式以及程序化设计等理论完成整个螺旋桨的建模。通过计算机技术以及数学理论方程建立叶面与叶背，通过拟合缝合得到所需桨叶实体模型，通过叶面数据误差分析步骤，验证设计并为设计进一步修正指导。

如图2所示，运用计算机技术构建一个叶面点建立的流程程序，叶面上R线上点的圆柱坐标系下的三个参数：R_i、α、H，i＝0.3,0.4……0.9,0.975,1.0之后进行叶面点在直角坐标系下的三坐标转换：X＝R_icosα，Y＝R_isinα，Z＝H。运用计算机技术构建从点到线再到面的流程程序，从0.3R的导边至随边的点依次连成曲线，然后0.4R,0.5R,……1.0R等截面依次连接九条曲线。通过上述十条截面空间曲线构成曲线组即可拟合成叶面。运用计算机技术依次从0.3R,0.4R,……1.0R等十个截面曲线上获取特征点，以及叶面曲面的参数u、v、σ，其中u和V是叶面曲面结构线分割的两个方向,并且两两互相垂直。曲面可表示为双参数u、v的失函数：

上述公式主要解决的是对桨叶叶面产品的叶面曲面进行数学描述，对曲线及曲面的形状进行控制，其目的是使复杂的桨叶曲面光滑连接过渡。

通过计算机技术指的是构建从点到线再到面的流程程序依次从0.3R,0.4R,……1.0R等十个截面曲线上获取曲线特征点、以及每个特征点对应的曲面法向量、依次对曲面法向量扩大叶厚T倍。

具体地，该方法分为叶面与叶背的建模两部分，其基准为螺旋桨的桨毂基准中心。处理毛坯螺旋桨叶面数据时，毛坯螺旋桨叶面的测量与建模分为以下步骤：

步骤1、以桨毂中心为定位基准。

步骤2、以螺旋桨桨毂上表面为测量基准；

步骤3、如图2所示，以桨毂基准中心为圆心，以5°及10°角度递增画测量线，测量线布置数量以及递增角度则根据每个螺旋桨的独特性而不同，在图2中用k+n_i°表示。

步骤4、这些测量线与0.3R、0.4R、0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R、0.975R、1.0R等R线的交点，得到的交点则为螺旋桨桨叶叶面的关键点Aij，R为螺旋桨半径，从浆毂中心到螺旋桨最边缘；

步骤5、采用螺距规测得每个关键点A_ij与测量基准的相对高度hij，测量桨毂高度为H；

步骤6、如图3所示，建模时则用桨毂下表面为基准平面，因此每个关键点在建模时的高度Hij＝H-h_ij；

步骤7、上述测量方法得到的叶面关键点数据为圆柱坐标系下的，因此须根据空间几何学将圆柱坐标系下R_i(i＝0.3,0.4……0.9,0.975,1.0)、α_ij、H_ij，转换为直角坐标系下的三坐标X_ij＝R_icosαij,Y_ij＝R_isinα_ij,Z_ij＝H_ij；从而得到直角坐标系下的叶面关键点A_ij的坐标；

步骤8、根据转换后的在直角坐标系下的桨叶叶面关键点坐标，以坐标系原点为基准，建立相应的基准点。依次连接每条R线上的基准点得到桨叶叶面的曲线结构图，从而通过拟合曲线结构图的方法得到毛坯浆叶叶面。

进一步的，毛坯螺旋桨叶面建模已完成，成品螺旋桨是通过切削加工毛坯去除材料得到，那么切削余量的计算对于成品螺旋桨的质量至关重要，切削余量计算步骤如下：

步骤1、在设计螺旋桨时有一组理论性模型数据，此组数据对应权利要求1中每个关键点A_ij都有对应的D_ij，重复权利要求书1中步骤1.7，可得到螺旋桨理论模型关键点D_ij的Z轴坐标K_ij。

步骤2、由于螺旋桨理论模型与毛坯模型的建模基准都为桨毂下表面，那么桨叶叶面的加工余量ΔL_ij＝Z_ij-K_ij。

步骤3、测量去除加工余量后的螺旋桨叶面关键点三坐标数据，这组数据作为叶背建模的基准。

进一步的，通过空间曲面的双参数u、v的失函数数学原理计算出桨叶叶面上每个关键点的法向矢量σ_ij。双参数u、v为螺旋桨曲面切平面上两两垂直的单位矢量，可知：

[u，v]＝0 (1)

空间曲面的双参数u、v的失函数数学解析表达式：

其中：a_ij为曲面各关键点的单位法向矢量；

为曲面的u向矢量方程；ψ_j(v)为曲面的v向矢量方程。上述公式主要解决的是对桨叶叶面产品的叶面曲面进行数学描述，对曲线及曲面的形状进行控制，其目的是使复杂的桨叶曲面光滑连接过渡。

进一步的实施例中，叶背建模部分分为以下步骤：

步骤1、读取去除余量后的桨叶叶面上关键点A_ij的直角坐标数据。

步骤2、将A_ij的直角坐标，代入(1)、(2)式，得到u、v单位矢量。

步骤3、如图2所示，由于u、v单位矢量相互垂直，且桨叶叶面上每个关键点的法向矢量σ_ij与u、v单位矢量两两垂直。利用方程组(3)可求得曲面的单位法向向量σ_ij。

步骤4、如图5所示，依次读取螺旋桨叶面上各个关键点对应的叶厚数据T_ij，根据每个特征点都有对应的叶厚值T_ij以及对应的曲面单位法向量σ_ij，之后将曲面单位法向量σ_ij延长至σ_ij的T_ij倍，最后获取对应法向线段σ_ij的终点坐标C_ij。连接A_ij和C_ij画出法向线段；

步骤5、依次建立上述法向线段的终点为基准点B_ij；

步骤6、基准点建立完毕后，由于法向线段会影响视觉效果，则需自动删除；

步骤7、分别连接从0.3R到1.0R截面每个R线上的法向线段终点，得到叶背曲面的曲线框架；通过上述十条截面空间曲线构成曲线组即可拟合成浆叶叶背。

实施例1

选取目标浆叶曲面并选择曲面法向量的正方向，进而获取浆叶曲面u、v参数的程序段如下:

进一步的，如图3所示，根据每个特征点都有对应的叶厚值T以及对应的曲面单位法向量σ，之后将曲面单位法向量σ延长至σ的T倍，最后获取对应法向线段σ的终点坐标c1。连接a1和c1画出法向线段。现有关键程序段如下：

进一步的，运用计算机技术依次建立上述法向线段的终点的基准点，其程序如下所示：

pt01(w01)＝point/c1(1),c1(2),c1(3)

基准点建立完毕后，由于法向线段会影响视觉效果，则需自动删除，功能程序如下：

DELETE/ln$$删除对应法向线段

进一步的，通过上述十条截面空间曲线构成曲线组即可拟合成浆叶叶背：face(1)＝BSURF/MESH,ppta(330),ppta(331),with,ln01(1..(num_jiemian-2)),ppta(332)

总之，本发明的简要流程如下：(1)产品设计初始化。(2)读取浆叶叶面数据。(3)浆叶叶面点、线、面建立。(4)获取叶面上曲线的特征点。(5)对叶面上特征点进行误差分析。(6)如果不满足公差精度要求则进行页面点误差修正，循环步骤(2)，重新读取修正后的浆叶叶面数据。(7)如果满足公差精度要求，则进行数学模型变换，计算浆叶叶面曲面参数u、v。(8)提取浆叶叶面的单位法向量σ。(9)将叶面的单位法向量扩大至T倍。(10)建立叶背上点、线、面。(11)拟合出螺旋桨叶片实体。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (2)

1.一种螺旋桨叶面叶背精确建模方法，其特征在于，包括叶面建模、计算切削余量与叶背建模，其中叶面建模包括如下步骤：

S1、以桨毂中心为定位基准；以螺旋桨桨毂上表面为测量基准；以桨毂基准中心为圆心；

S2、以5°及10°角度递增画测量线，分导边与随边两个方向分别设置测量线，所述测量线与0.3R、0.4R、0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R、0.975R、1.0R等R线的交点，每条等R线的半径用R_i表示，i＝0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.95,0.975,1.0；得到的交点则为螺旋桨桨叶的叶面关键点A_ij,其中每个关键点相对于0°测量线的角度为α_ij，i＝0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.95,0.975,1.0；j为每条等R线上关键点个数，为正整数，1≤j≤25；

S3、测得每个关键点A_ij与测量基准的相对高度h_ij，测量桨毂高度H；

S4、用桨毂下表面为基准平面，计算每个关键点在建模时的高度H_ij＝H-h_ij；

S5、将圆柱坐标系下的等R线R_i，α_ij、H_ij，转换为直角坐标系下的坐标，得到直角坐标系下的叶面关键点A_ij的坐标：

X_ij＝R_icosα_ij,Y_ij＝R_isinα_ij,Z_ij＝H_ij,0<H_ij<H,i＝0.3,0.4……0.9,0.975,1.0；1≤j≤25,j为正整数；

S6、根据直角坐标系下的桨叶叶面关键点坐标，以坐标系原点为基准，建立相应的基准点；依次连接每条R线上的基准点得到桨叶叶面的曲线结构图，通过拟合曲线结构图的方法得到毛坯浆叶叶面；

所述计算切削余量，步骤如下：

S7.1、采集每个叶面关键点A_ij对应的理论值D_ij，通过步骤S1至S5计算每个理论值的坐标K_ij；

S7.2、螺旋桨理论模型与毛坯模型的建模基准都为桨毂下表面，则桨叶叶面的加工余量ΔL_ij＝Z_ij-K_ij；

S7.3、测量去除加工余量后的螺旋桨叶面关键点三坐标数据，作为叶背建模的基准；

所述叶背建模，步骤如下：

S8.1、读取去除余量后的叶面关键点A_ij的直角坐标数据；

S8.2、将叶面关键点A_ij的直角坐标，代入下述公式，得到空间曲面的双参数u、v单位矢量；

[u，v]＝0；

0<H_ij<H,i＝0.3,0.4……0.9,0.975,1.0；1≤j≤25,j为正整数；

其中：a_ij为曲面各关键点的单位法向矢量；为曲面的u向矢量方程；ψ_j(v)为曲面的v向矢量方程；

S8.3、由于空间曲面的双参数u、v单位矢量相互垂直，且桨叶叶面上每个关键点的法向矢量σ_ij与双参数u、v单位矢量两两垂直，通过下式可求得曲面的单位法向向量σ_ij；

0<H_ij<H,i＝0.3,0.4……0.9,0.975,1.0；1≤j≤25,j为正整数；

S8.4、依次读取螺旋桨叶面上各个关键点对应的叶厚数据T_ij，根据每个特征点都有对应的叶厚值T_ij以及对应的曲面单位法向量σ_ij，将曲面单位法向量σ_ij延长至σ_ij的T_ij倍，获取对应法向线段σ_ij的终点坐标C_ij，接叶面关键点A_ij和终点坐标C_ij画出法向线段；

S8.5、依次建立上述法向线段的终点为基准点B_ij；

S8.6、基准点建立完毕后，删除法向线段，以免影响视觉效果；

S8.7、分别连接从0.3R到1.0R截面每个R线上的法向线段终点，得到叶背曲面的曲线框架；通过上述十条截面空间曲线构成曲线组拟合成浆叶叶背。

2.一种基于权利要求1所述的螺旋桨叶面叶背精确建模方法的船用螺旋桨精确建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)产品设计初始化；

2)读取浆叶叶面数据；

3)建立浆叶叶面点、线和面；

4)获取叶面上曲线的特征点；

5)对叶面上特征点进行误差分析；

6)如果不满足公差精度要求则转到步骤2)，进行页面点误差修正，重新读取修正后的浆叶叶面数据；

7)如果满足公差精度要求，则进行数学模型变换，计算浆叶叶面曲面参数u、v；

8)提取浆叶叶面的单位法向量σ_ij；

9)将叶面的单位法向量扩大至T_ij倍，T_ij为螺旋桨叶面上各个关键点对应的叶厚值；

10)建立叶背上点、线、面；

11)拟合出螺旋桨叶片实体。