CN111874178B - 舵球制作方法及舵球 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种舵球制作方法及舵球，涉及船舶与海洋工程相关技术领域，该方法包括以下步骤：确定舵球初始型线；对舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线；第一控制曲线和第二控制曲线控制舵球初始型线的形状变化；引入与舵球初始型线连接的补充线段，补充线段和舵球初始型线构成舵球型线；变换舵球型线以形成三维舵球曲面。本申请中对舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线，以控制舵球初始型线的形状变换，能够保证舵叶与舵球末端的光顺过渡，使得变换后的舵球具有连续性、美观性，及良好的水动力性能；调节第一控制曲线和第二控制曲线即可调节舵球曲面的形状，优化过程简单，且具有良好的可迭代性。

Description

舵球制作方法及舵球
技术领域
本申请涉及船舶与海洋工程相关技术领域，尤其涉及一种舵球制作方法及舵球。
背景技术
舵球是现有船舶常用的一种节能设备，舵球填充螺旋桨桨榖后的低压区，减少螺旋桨桨榖后流动分离，消除螺旋桨桨榖后产生的涡流，改善螺旋桨桨榖后水流分布，减轻螺旋桨的激振力作用，进而实现船舶的节能减排。现有舵球一般为纵剖面为对称机翼形的流线型回转体，舵球一分为二分布在舵的两侧。
现有舵球的设计方法一般为先确定舵球纵剖面型线，然后根据舵球纵剖面型线形成舵球，在这个设计过程中需要考虑长度、半径、连续性、美观性以及节能效果等因素，且在设计前期易出现舵球纵剖面型线确定难的问题；在确定舵球纵剖面型线的情况下，若需改善舵球性能，后续的优化工作需回到最初的舵球纵剖面型线确定过程，从而导致设计后期舵球优化过程困难，可迭代性差。
发明内容
本申请的目的是提供一种舵球制作方法，其能够改善现有舵球设计过程中前期舵球型线确定难，且后期舵球型线优化困难的问题。
本申请的另一目的，还在于提供一种使用上述舵球制作方法制作的舵球。
第一方面，本申请实施例提供一种舵球制作方法，其包括以下步骤：
确定舵球初始型线；
对舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线；第一控制曲线控制舵球初始型线的长度变化，第二控制曲线控制舵球初始型线的拱度变化，以使舵球初始型线的迎流端点变化为相距预定距离的上端点和下端点；
利用补充线段连接舵球初始型线的上端点和下端点，补充线段和舵球初始型线构成舵球型线；
变换舵球型线以形成三维舵球曲面。
在上述实现过程中，首先确定舵球初始型线，然后对舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线控制舵球初始型线的形状，舵球初始型线与引入的补充线段构成舵球型线，后期根据舵球性能对舵球型线的形状进行优化时，只需调节第一控制曲线和第二控制曲线即可调节舵球初始型线、舵球型线及舵球曲面的形状，不需对舵球初始型线进行重新确定，舵球型线及舵球曲面的形状优化过程简单。
在一种可能的实施方案中，舵球初始型线为与桨榖中心线等高处的舵叶横剖面的外轮廓线；
或者，舵球初始型线为与毂帽中心等高处的舵叶横剖面的外轮廓线。
在上述实现过程中，以与桨榖中心线或毂帽中心等高处舵叶横剖面的外轮廓线作为舵球初始型线。舵球初始型线的选取过程简单，舵球初始型线的形状为舵叶横剖面的外轮廓线，其形状确定过程简单，后期便于以舵球初始型线为基础进行舵球设计。
在一种可能的实施方案中，第一控制曲线控制整个舵球初始型线的长度变化，第二控制曲线控制整个舵球初始型线的拱度变化。
在一种可能的实施方案中，第一控制曲线控制舵球初始型线的迎流段的长度变化，第二控制曲线控制舵球初始型线的迎流段的拱度变化。
在一种可能的实施方案中，第一控制曲线和第二控制曲线的起始曲率均为零。
在上述实现过程中，第一控制曲线和第二控制曲线的起始曲率均为零，确保舵球初始型线变化的部分与未变化的部分之间光滑过渡，以使变换后形成的舵球外形美观，且具有良好的水动力性能。
在一种可能的实施方案中，对舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线的步骤中，还包括：
引入参数L和参数R，参数L控制第一控制曲线的陡峭度，参数R控制第二控制曲线的陡峭度；参数L和参数R在预设范围内连续变化，且组成一个连续的二维空间。
在上述实现过程中，利用参数L和参数R分别控制第一控制曲线和第二控制曲线的陡峭度，调整参数L和参数R即可调整舵球初始型线、舵球型线及变换后形成的舵球曲面的形状，便于后期根据舵球性能直接对舵球型线及舵球曲面进行优化，其优化过程简单。
在一种可能的实施方案中，确定舵球初始型线的步骤中，还包括：
确定舵球中心线，舵球中心线为桨榖中心线，或者毂帽中心的等高线。
在一种可能的实施方案中，上端点的切线和下端点的切线始终共线，且垂直于舵球中心线。
在一种可能的实施方案中，补充线段与上端点的切线、下端点的切线始终共线，且补充线段垂直于舵球中心线。
在一种可能的实施方案中，变换舵球型线以形成三维舵球曲面的步骤中，变换方法为扫掠；扫掠的方式为将舵球型线以舵球中心线为旋转中心旋转180°。
在一种可能的实施方案中，变换舵球型线以形成三维舵球曲面的步骤中，变换方法为扫掠；扫掠的方式为将舵球型线的一半以舵球中心线为旋转中心旋转360°。
另一方面，本申请实施例提供一种舵球，该舵球根据上述的舵球制作方法制作。
与现有技术相比，本申请的有益效果：
本申请中对舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线，以控制舵球初始型线的形状变换，能够保证舵叶与舵球末端的光顺过渡，使得变换后的舵球具有连续性、美观性，及良好的水动力性能。调节第一控制曲线和第二控制曲线即可调节舵球曲面的形状，不需对舵球初始型线进行重新确定，优化过程简单，且具有良好的可迭代性，积极促进了船舶节能设备的发展，具有广泛的推广使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为根据本申请实施例示出的一种舵球制作方法的流程示意图；
图2为根据本申请实施例示出的一种舵球型线变换原理示意图(不包含桨榖)；
图3为根据本申请实施例示出的一种舵球型线变换原理示意图(包含有桨榖)；
图4为本申请实施例中示出的一种桨榖、毂帽和舵(包括舵叶和舵球)的纵剖线图；
图5为根据本申请实施例示出的一种舵球型线的结构示意图；
图6为根据本申请实施例示出的一种舵球的纵剖线图。
图示说明：
100舵球初始型线；110迎流段；111迎流端点；112上端点；113下端点；120去流段；130舵球中心线；200第一控制曲线；300第二控制曲线；400补充线段；500舵球型线；600舵球；700桨榖；710桨榖中心线；720毂帽；730毂帽中心。
具体实施方式
下面结合附图对本申请具体实施方式的技术方案作进一步详细说明，这些实施方式仅用于说明本申请，而非对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”和“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
根据本申请的一个方面，提供了一种舵球制作方法。参见图1，舵球制作方法包括以下步骤：
确定舵球初始型线100；舵球初始型线100包括迎流段110和去流段120，迎流段110和去流段120相连接，围合成封闭的型线。
对舵球初始型线100施加第一控制曲线200和第二控制曲线300；第一控制曲线200控制舵球初始型线100的长度变化，第二控制曲线300控制舵球初始型线100的拱度变化，以使舵球初始型线100的迎流端点111变化为相距预定距离的上端点112和下端点113。迎流端点111为迎流段110未与去流段120相连接的一端的端点。
利用补充线段400连接舵球初始型线100的上端点112和下端点113，舵球初始型线100和补充线段400构成舵球型线500。在第一控制曲线200和第二控制曲线300的作用下，舵球初始型线100的迎流端点111变化并分成上端点112和下端点113，舵球初始型线100出现剖口，不再是连续封闭的型线，引入与上端点112和下端点113分别连接的补充线段400对舵球初始型线100进行光滑封闭处理。
变换舵球型线500以形成三维舵球曲面。
本申请首先确定舵球初始型线100，然后对舵初始球型线100施加第一控制曲线200和第二控制曲线300分别控制舵球初始型线100的长度变化和拱度变化，以调节舵球初始型线100的形状，舵球初始型线100与引入的补充线段400构成舵球型线500，舵球型线500经变换即可形成舵球曲面。后期根据舵球600性能对舵球型线500的形状进行优化时，只需调节第一控制曲线200和第二控制曲线300即可调节舵球初始型线100、舵球型线500及舵球曲面的形状，不需对舵球初始型线100进行重新确定，使得舵球型线500及舵球曲面的形状优化过程简单，具有良好的可迭代性。
在一种实施方式中，参见图3，舵球初始型线100根据舵叶及桨轴来确定，舵球初始型线100选取为舵叶横剖面的外轮廓线。桨轴包括桨榖700及毂帽720，当舵叶为对称结构时，桨榖中心线710为水平线，舵球初始型线100为与桨榖中心线710等高处的舵叶横剖面的外轮廓线。当舵叶为非对称结构时，桨榖中心线710为非水平线。舵球初始型线100为与毂帽中心730等高处的舵叶横剖面的外轮廓线。
在此实施方式中，以与桨榖中心线710或毂帽中心730所在的等高线为舵球中心线130，舵球中心线130处的舵叶横剖面的外轮廓线作为舵球初始型线100，舵球初始型线100是以舵球中心线130为对称中心的对称结构。舵球中心线130与舵球初始型线100的选取过程简单，舵球初始型线100的形状为舵叶横剖面的外轮廓线，以舵球初始型线100为基础进行舵球设计。
在一种实施方式中，第一控制曲线200控制整个舵球初始型线100的长度变化，第二控制曲线300控制整个舵球初始型线100的拱度变化。第一控制曲线200和第二控制曲线300分别决定舵球600的最大长度和最大半径，且第一控制曲线200和第二控制曲线300对整个舵球初始型线100进行控制使得整个舵球初始型线100的形状是光滑曲线，使得变换后的舵球600具有良好的水动力性能。
在一种实施方式中，第一控制曲线200和第二控制曲线300分别控制舵球初始型线100的局部，例如，舵球初始型线100的整个迎流段110、局部迎流段110、整个迎流段110和局部去流段120。第一控制曲线200和第二控制曲线300至少控制舵球初始型线100的局部迎流段110，以调节舵球初始型线100的形状。第一控制曲线200和第二控制曲线300的起始曲率均为零，确保舵球初始型线100变化的部分与未变化的部分之间光滑过渡，以使变换后的舵球600外形美观，且具有良好的水动力性能。
具体来说，第一控制曲线200控制舵球初始型线100的整个迎流段110的长度变化，第二控制曲线300控制舵球初始型线100的整个迎流段110的拱度变化；第一控制曲线200和第二控制曲线300分别决定舵球600的最大长度和最大半径。第一控制曲线200和第二控制曲线300的起始曲率均为零，确保舵球初始型线100变化的迎流段110与未变化的去流段120之间光滑过渡。
需要说明的是，第一控制曲线200和第二控制曲线300分别控制舵球初始型线100的局部只是示例性的，本申请对于第一控制曲线200和第二控制曲线300的控制部分不做具体限定，凡是能够实现变换后的舵球600具有良好的水动力性能的控制部分均落入本申请的保护范围。
在一种实施方式中，对舵球初始型线100施加第一控制曲线200和第二控制曲线300的步骤中，还包括下列步骤：
对第一控制曲线200引入参数L，参数L控制第一控制曲线200的陡峭度；
对第二控制曲线300引入参数R，参数R控制第二控制曲线300的陡峭度；
参数L和参数R分别控制第一控制曲线200、第二控制曲线300的陡峭度，进而控制舵球初始型线100的形状，参数L和参数R在预设范围内连续变化，并组成一个连续的二维空间，二维空间里的每一个点均对应舵球600的一个设计方案。例如，参见图5～图6，在舵球初始型线100的长度方向和半径方向，从小到大分别依次选取3个数值，分别为Lsmall、Lmedium、Llarge、Rsmall、Rmedium、Rlarge，得到9个设计点，对应9个舵球型线500，每个舵球型线500变换后均对应一个舵球。
每个舵球初始型线100、舵球型线500及舵球600均对应一组参数，通过调整参数L和参数R，便可改变舵球初始型线100、舵球型线500及变换后形成的舵球曲面的形状，实现了基于特征的尺寸驱动和全数据相关；连续、独立的两个参数形成的二维空间，短时间内便可生成大量的舵球形状，为局部搜索和全局搜索优化算法的应用提供了基础，设计点上的迭代优化工作也更便捷。
参数L和参数R的引入便于后期根据舵球600的性能直接对舵球型线500及舵球曲面进行优化，其优化过程只需调节参数L和参数R，不需对舵球初始型线100进行重新确定，整个优化过程操作简单。
在一种实施方式中，在第一控制曲线200和第二控制曲线300的作用下，舵球初始型线100的迎流端点111变换形成上端点112和下端点113，在迎流端点111的变换过程中，迎流端点111只发生平移运动，不发生旋转运动，上端点112的切线和下端点113的切线始终共线，且垂直于舵球中心线130。补充线段400与上端点112的切线、下端点113的切线始终共线，且补充线段400垂直于舵球中心线130。
在一种实施方式中，变换舵球型线500以形成三维舵球曲面的步骤中，变换方法为扫掠；扫掠的方式为将舵球型线500以舵球中心线130为旋转中心旋转180°。作为可替换的实施方式，扫掠的方式为将舵球型线500的一半以舵球中心线130为旋转中心旋转360°。
另一方面，本申请实施例提供一种舵球，该舵球600根据上述的舵球制作方法制作而成。
本申请中以舵叶横剖面的外轮廓线为舵球初始型线100，解决了舵球型线的初始形状确定困难的问题。其次，施加第一控制曲线200和第二控制曲线300对舵球初始型线100进行变换，能够保证舵叶与舵球末端的光顺过渡，使得舵球600具有连续性、美观性，及良好的水动力性能。此外，本申请通过两个独立参数对舵球初始型线100进行控制，实现了基于特征的尺寸驱动和全数据相关，连续、独立的两个参数形成的二维空间，短时间内便可生成大量的舵球形状，解决了舵球优化过程中可迭代性差的问题，为后续的局部优化算法和全局优化算法的使用提供了基础，积极促进了船舶节能设备的发展，具有广泛的推广使用价值。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种舵球制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定舵球初始型线；
对所述舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线；所述第一控制曲线控制所述舵球初始型线的长度变化，所述第二控制曲线控制所述舵球初始型线的拱度变化，以使所述舵球初始型线的迎流端点变化为相距预定距离的上端点和下端点；
利用补充线段连接所述舵球初始型线的所述上端点和所述下端点，所述补充线段和所述舵球初始型线构成舵球型线；
变换所述舵球型线以形成三维舵球曲面。
2.根据权利要求1所述的舵球制作方法，其特征在于，所述舵球初始型线为与桨榖中心线等高处的舵叶横剖面的外轮廓线；
或者，所述舵球初始型线为与毂帽中心等高处的舵叶横剖面的外轮廓线。
3.根据权利要求1所述的舵球制作方法，其特征在于，所述第一控制曲线控制整个所述舵球初始型线的长度变化，所述第二控制曲线控制整个所述舵球初始型线的拱度变化。
4.根据权利要求1所述的舵球制作方法，其特征在于，所述第一控制曲线控制所述舵球初始型线的迎流段的长度变化，所述第二控制曲线控制所述舵球初始型线的迎流段的拱度变化。
5.根据权利要求4所述的舵球制作方法，其特征在于，所述第一控制曲线和第二控制曲线的起始曲率均为零。
6.根据权利要求1～5任一项所述的舵球制作方法，其特征在于，所述对所述舵球初始型线施加第一控制曲线和第二控制曲线的步骤中，还包括：
引入参数L和参数R，所述参数L控制所述第一控制曲线的陡峭度，所述参数R控制所述第二控制曲线的陡峭度；所述参数L和参数R在预设范围内连续变化，且组成一个连续的二维空间。
7.根据权利要求6所述的舵球制作方法，其特征在于，所述确定舵球初始型线的步骤中，还包括：
确定舵球中心线，所述舵球中心线为桨榖中心线，或者毂帽中心的等高线。
8.根据权利要求7所述的舵球制作方法，其特征在于，所述上端点的切线和所述下端点的切线始终共线，且垂直于所述舵球中心线。
9.根据权利要求8所述的舵球制作方法，其特征在于，所述补充线段与所述上端点的切线、所述下端点的切线始终共线，且所述补充线段垂直于所述舵球中心线。
10.根据权利要求7所述的舵球制作方法，其特征在于，所述变换所述舵球型线以形成三维舵球曲面的步骤中，所述变换的方式为扫掠；所述扫掠的方式为将所述舵球型线以所述舵球中心线为旋转中心旋转180°。
11.根据权利要求7所述的舵球制作方法，其特征在于，所述变换所述舵球型线以形成三维舵球曲面的步骤中，所述变换的方式为扫掠；所述扫掠的方式为将所述舵球型线的一半以所述舵球中心线为旋转中心旋转360°。
12.一种舵球，其特征在于，根据权利要求1～11任一项所述的舵球制作方法制作。
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