CN116167177A - 一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法 - Google Patents

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卢雨
吴春晓
顾朱浩
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Abstract

本发明提供一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，具体包括以下步骤：S1：确定翼型剖面的特征参数弦长、最大拱度、最大厚度、导缘半径和尾缘半径；同时确定不同径向下的翼型剖面对应的纵倾、侧斜和螺距；S2：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型；S3：根据不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、纵倾、侧斜和螺距，得到原始参数曲线；对每一条原始参数曲线进行曲线拟合得到相应的拟合参数曲线，通过积分的方法得到大侧斜螺旋桨翼型曲面模型；将大侧斜螺旋桨翼型曲面模型与构建的桨毂模型相连接构成闭合的大侧斜螺旋桨模型。本发明解决了现有技术很难达到对大侧斜螺旋桨几何形状的灵活控制的问题。

Description

一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法
技术领域
本发明涉及船舶推进技术领域，具体而言，尤其涉及一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法。
背景技术
目前提出的关于螺旋桨建模的方法，通常需要手动建立三维实体螺旋桨模型，例如，张宏伟等人提出了螺旋桨型值点坐标计算程序设计方法，通过ProE软件将数据文件手动导入进行实体建模，但未进行型值点导入软件后的快速建模方法研究；吴利红等人利用MATLAB计算螺旋桨桨叶空间坐标点，通过ProE一次性读入空间坐标点，但需手动建立三维实体螺旋桨；柳堪乐等人使用PropCAD和犀牛软件相结合对螺旋桨快速方法进行了研究，但最终仍需手动完成螺旋桨三维模型的建立。
手动建立三维模型的方法很难达到对大侧斜螺旋桨几何形状的灵活控制，无法通过改变特征参数，实现对实体模型的改变，也无法建立大侧斜螺旋桨几何特征与大侧斜螺旋桨性能之间的关系。
发明内容
针对现有螺旋桨建模方法存在的技术问题，而提供一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，通过全参数化大侧斜螺旋桨模型的建立，能够在研究大侧斜螺旋桨几何特征与大侧斜螺旋桨性能之间的关系时灵活控制大测斜螺旋桨模型，满足足够的优化设计样本空间，保证了大侧斜螺旋桨性能预报及优化的高效性，完善了大侧斜螺旋桨性能优化体系。
本发明采用的技术手段如下：
一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，具体包括以下步骤：
S1：根据大侧斜螺旋桨翼型确定不同径向下的翼型剖面的拱度分布线和厚度分布线，确定翼型剖面的特征参数，同时确定不同径向下的翼型剖面对应的纵倾、侧斜和螺距；
翼型剖面的特征参数包括弦长、最大拱度、最大厚度、导缘半径和尾缘半径；
S2：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型
根据步骤S1确定的拱度分布线、厚度分布线和特征参数，采用特征参数描述法建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型；
S3：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨模型
根据不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、纵倾、侧斜和螺距，得到原始参数曲线：最大弦长曲线、最大厚度曲线、最大拱度曲线、螺距曲线、纵倾曲线和侧斜曲线；
根据F-spline曲线拟合原理对每一条原始参数曲线进行曲线拟合得到相应的拟合参数曲线，在曲线拟合过程中，保证最终的拟合参数曲线与原始参数曲线的拟合点方差最小，根据拟合参数曲线通过积分的方法得到大侧斜螺旋桨翼型曲面模型；
在三维建模软件中，通过布尔运算将大侧斜螺旋桨翼型曲面模型与构建的桨毂模型相连接构成闭合的大侧斜螺旋桨模型。
进一步地，大侧斜螺旋桨模型包括若干大侧斜螺旋桨翼型曲面模型，其他大侧斜螺旋桨翼型曲面模型通过在三维建模软件中对一个大侧斜螺旋桨翼型曲面模型进行复制旋转得到。
进一步地，采用的三维建模软件为CAESES。
进一步地，还包括步骤S4：通过在三维建模软件中调节大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、导缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距实现对大侧斜螺旋桨模型的参数化控制。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，利用全参数化建模的方式建立大侧斜螺旋桨，能够实现对大侧斜螺旋桨几何模型的灵活控制，将实体模型几何信息转化为特征参数，通过定义特征参数，能够实现对实体模型的精确表达；通过改变特征参数，能够实现对实体模型的改变，从而可以对大侧斜螺旋桨性能进行优化；实现大侧斜螺旋桨的参数化建模可以更好地建立大侧斜螺旋桨几何特征与大侧斜螺旋桨性能之间的关系。
基于上述理由本发明可在船舶推进领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述大侧斜螺旋桨翼型剖面示意图。
图2为本发明所述纵倾、侧斜和螺距示意图。
图3为本发明所述全参数化大侧斜螺旋桨设计方法中翼型参数曲线与大侧斜螺旋桨模型的映射关系。
图4为本发明所述全参数化大侧斜螺旋桨设计方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-4所示，翼剖面是大侧斜螺旋桨设计中最重要的环节，翼型性能决定了大侧斜螺旋桨整体性能；而翼剖面外形直接影响翼剖面水动力性能，因此需要采用合适的翼剖面参数化方法表达连续光滑的翼剖面几何外形；本发明提供的方法通过定义特征参数，能够实现对实体模型的精确表达；本发明提供的一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，具体包括以下步骤：
S1：根据大侧斜螺旋桨翼型确定不同径向下的翼型剖面的拱度分布线和厚度分布线，确定翼型剖面的特征参数，同时确定不同径向下的翼型剖面对应的纵倾、侧斜和螺距；
翼型剖面的特征参数包括弦长(chord)、最大拱度(max camber)、最大厚度(maxthickness)、导缘半径(leading edge radius)、尾缘半径(trailing edge radius)；
如图1所示，翼剖面上最前面的点称为导缘点，而最后一点称为尾缘点，导缘点与尾缘点之间的距离为弦长(chord)，翼型上表面流速较快(吸力面)，下表面流速较慢(压力面)，将尾缘尖点作为圆心，从尾缘向导缘方向作圆与压力面吸力面相切，将所有圆圆心连接，构成翼剖面拱度分布线，中线至内弦距离的最大值称为最大拱度(max camber)，吸力面与压力面之间的最大距离为最大厚度(max thickness)，不同的导缘与尾缘形状对翼型的性能会造成不同的改变，而且要保证尾缘的厚度满足设计要求，因此设定导缘半径(leading edge radius)与尾缘半径(trailing edge radius)作为特征参数控制导缘与尾缘的形状，能够使翼型形状的变化有较好的灵活性；
如图2所示，将无侧斜、纵倾时不同径向下的翼型剖面弦线中心点连接而成的直线作为叶片参考线；将本申请采用的大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面弦线中心点连接而成的直线作为螺旋桨参考线；叶片参考线和螺旋桨参考线之间纵向距离称为纵倾(rake)；叶片参考线和螺旋桨参考线在正视方向形成的夹角称为侧斜(skew)；取一个翼型剖面，将该翼型剖面的弦线延长，环绕轴线一周，形成的螺旋线两端点A、B的轴向距离为螺旋桨翼型在该径向下的翼型剖面的螺距(pitch)；
S2：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型
根据步骤S1确定的拱度分布线、厚度分布线和特征参数，采用特征参数描述法建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型；
S3：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨模型
根据不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、纵倾、侧斜和螺距，得到原始参数曲线：最大弦长曲线、最大厚度曲线、最大拱度曲线、螺距曲线、纵倾曲线和侧斜曲线；
弦长曲线、最大厚度曲线和最大拱度曲线可以表达大侧斜螺旋桨翼型的形状，纵倾曲线、侧斜曲线和螺距曲线可以表达大侧斜螺旋桨翼型在周向、轴向和径向各翼型剖面的分布；
根据F-spline曲线拟合原理对每一条原始参数曲线进行曲线拟合得到相应的拟合参数曲线，在曲线拟合过程中，保证最终的拟合参数曲线与原始参数曲线的拟合点方差最小，根据拟合参数曲线通过积分的方法得到大侧斜螺旋桨翼型曲面模型；
本发明利用较少的控制变量准确拟合曲线以及拟合点方差最小的思想，大大降低了拟合参数曲线与原始参数曲线之间的误差；使用F-Spline曲线表达螺旋桨叶片参数的特征参数，可以很明显的表达出螺旋桨弦长、厚度、拱度、纵倾、侧斜、螺距参数的分布情况，同时在改变参数后生成较光顺的分布曲线，采用这种方式生成的曲面模型可以维持很好的光顺性；
在三维建模软件中，通过布尔运算将大侧斜螺旋桨翼型曲面模型与构建的桨毂模型相连接构成闭合的大侧斜螺旋桨模型。
进一步地，大侧斜螺旋桨模型包括若干大侧斜螺旋桨翼型曲面模型，其他大侧斜螺旋桨翼型曲面模型通过在三维建模软件中对一个大侧斜螺旋桨翼型曲面模型进行复制旋转得到。
进一步地，采用的三维建模软件为CAESES。
进一步地，还包括步骤S4：通过在三维建模软件中调节大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、导缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距实现对大侧斜螺旋桨模型的参数化控制，具体的，通过改变各项参数，能够实现对翼型形状的改变，进而实现对大侧斜螺旋桨模型的参数化控制。
进一步地，F-spline曲线拟合具体包括以下步骤：
S31：针对某一条原始参数曲线，选取首、尾两个点作为拟合曲线的基准点，首部点代表第一条F-spline曲线的起点，尾部点代表第二条F-spline曲线的终点；
S32：从原始参数曲线上由首部点至尾部点截取n个拟合点对原始参数曲线进行拟合，针对所截取的每个点，均可作为第一条F-spline曲线的终点以及第二条F-spline曲线的起点，每个点所对应的的两条F-spline曲线拟合为一条中间拟合曲线，最终得到n条中间拟合曲线；
S33：从每一条中间拟合曲线上截取n个拟合点与从原始参数曲线上截取的n个拟合点计算方差，取方差最小的中间拟合曲线作为最终的拟合参数曲线，方差计算公式如下式所示：
s2＝[(x1-x)2+...(xn-x)2]/n
其中，s2表示方差，x1....xn代表每个拟合点的值，x表示x1....xn的平均值，n表示拟合点数量。
进一步地，步骤S32从原始参数曲线上由首部点至尾部点截取了50个拟合点用于曲线拟合。
本发明能够以一种参数化的方式把大侧斜螺旋桨的几何特征表达出来，在研究大侧斜螺旋桨几何参数和大侧斜螺旋桨性能之间的关系时可以采用本发明提供的方法，通过定义特征参数，能够实现对实体模型的精确表达；通过改变特征参数，能够实现对实体模型的改变，实现大侧斜螺旋桨的参数化建模，建立起足够的优化计算的样本空间，参数化控制的灵活性保证了大侧斜螺旋桨性能预报及优化的高效性，完善了大侧斜螺旋桨性能优化体系。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：根据大侧斜螺旋桨翼型确定不同径向下的翼型剖面的拱度分布线和厚度分布线，确定翼型剖面的特征参数，同时确定不同径向下的翼型剖面对应的纵倾、侧斜和螺距；
翼型剖面的特征参数包括弦长、最大拱度、最大厚度、导缘半径和尾缘半径；
S2：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型
根据步骤S1确定的拱度分布线、厚度分布线和特征参数，采用特征参数描述法建立大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型；
S3：利用三维建模软件，建立大侧斜螺旋桨模型
根据不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、纵倾、侧斜和螺距，得到原始参数曲线：最大弦长曲线、最大厚度曲线、最大拱度曲线、螺距曲线、纵倾曲线和侧斜曲线；
根据F-spline曲线拟合原理对每一条原始参数曲线进行曲线拟合得到相应的拟合参数曲线，在曲线拟合过程中，保证最终的拟合参数曲线与原始参数曲线的拟合点方差最小，根据拟合参数曲线通过积分的方法得到大侧斜螺旋桨翼型曲面模型；
在三维建模软件中，通过布尔运算将大侧斜螺旋桨翼型曲面模型与构建的桨毂模型相连接构成闭合的大侧斜螺旋桨模型。
2.根据权利要求1所述的全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，其特征在于，大侧斜螺旋桨模型包括若干大侧斜螺旋桨翼型曲面模型，其他大侧斜螺旋桨翼型曲面模型通过在三维建模软件中对一个大侧斜螺旋桨翼型曲面模型进行复制旋转得到。
3.根据权利要求1所述的全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，其特征在于，采用的三维建模软件为CAESES。
4.根据权利要求1所述的全参数化大侧斜螺旋桨设计方法，其特征在于，还包括步骤S4：通过在三维建模软件中调节大侧斜螺旋桨翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的弦长、最大拱度、最大厚度、导缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距实现对大侧斜螺旋桨模型的参数化控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117429575A (zh) * 2023-12-19 2024-01-23 烟台哈尔滨工程大学研究院 一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117429575A (zh) * 2023-12-19 2024-01-23 烟台哈尔滨工程大学研究院 一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质

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