CN117429575A - 一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质，属于船舶设计技术领域，采用适当的翼型参数化方法来描述连续光滑的翼型几何外形，构建叶片翼型剖面模型和转子轮毂剖面模型，并生成叶片翼型曲面模型和转子轮毂模型；将叶片翼型曲面模型与转子轮毂模型相连接构成闭合的转子模型；根据导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，利用三维建模软件，建立导管模型；根据转子与导管入口的相对距离将导管模型和转子模型相连接形成完整的轮缘推进器模型。本发明通过参数化的方式建立轮缘推进器，可以对导管形状、转子与导管入口的相对距离以及叶片形状的进行灵活控制，避免了繁琐操作。

Description

一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及船舶设计技术领域，特别涉及一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质。

背景技术

轮缘推进器是由转子和导管组成，导管中内含轮缘推进器叶片，轮缘推进器叶片模型为复杂曲面，在进行模型的构建时，操作繁琐，并且容易出错，需花费较多的时间和精力。同时，利用手动建立三维模型的方法构建模型后，很难达对模型进行再更改。

现有对手动建立三维模型进行改进的技术方案，如：刘勇杰等人利用Excel手动操作完成桨叶型值点的计算，采用VB.NET语言编写程序，将Excel里的型值点坐标值数据导入CATIA中，生成型值点云图，但最终仍需手动完成螺旋桨三维模型的建立。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。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。

有鉴于此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供一种全参数化轮缘推进器设计方法、设备及存储介质，能够利用参数化方法来描述连续光滑的翼型几何外形，达到对导管形状、转子与导管入口的相对距离以及转子形状的灵活控制，实现了特征参数控制实体模型。

一种全参数化轮缘推进器设计方法，包括：

根据设计要求选择轮缘推进器的导管翼型和叶片翼型；

根据选定的导管翼型和叶片翼型确定导管翼型和叶片翼型的参数；

通过全参数化建模的方式，利用三维建模软件分别构建不同径向下的叶片翼型剖面模型和转子轮毂剖面模型；

利用叶片翼型剖面模型参数和转子轮毂剖面模型参数分别构建叶片翼型曲面模型和转子轮毂模型；

将构建的叶片翼型曲面模型与转子轮毂模型相连接构成闭合的转子模型；

根据导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，利用三维建模软件，建立导管模型；

根据转子与导管入口的相对距离将导管模型和转子模型相连接形成完整的轮缘推进器模型。

优选的，所述通过全参数化建模的方式，利用三维建模软件分别构建不同径向下的叶片翼型剖面模型和导管翼型剖面模型，包括：

根据选定的叶片翼型和导管翼型在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；

根据拱度分布线、厚度分布线和翼型剖面的特征参数，采用特征参数描述法分别建立不同径向下的叶片翼型剖面模型和导管翼型剖面模型。

优选的，所述翼型剖面的特征参数包括：弦长、最大拱度、最大厚度、前缘半径和后缘半径。

优选的，所述利用叶片翼型剖面模型参数和导管翼型剖面模型参数分别构建叶片翼型曲面模型和转子轮毂模型，包括：

根据叶片翼型不同径向下的翼型剖面模型的特征参数，得到叶片翼型原始参数曲线；

利用B-spline曲线拟合原理对每一条叶片翼型原始参数曲线进行曲线拟合，得到相应的叶片翼型拟合参数曲线；

通过对叶片翼型拟合参数曲线进行积分，得到叶片翼型的曲面模型。

优选的，所述翼型剖面模型的特征参数包括：弦长、最大拱度、最大厚度、前缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距；

所述叶片翼型原始参数曲线包括：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。

优选的，所述利用B-spline曲线拟合原理对每一条叶片翼型原始参数曲线进行曲线拟合，得到相应的叶片翼型拟合参数曲线包括：

针对某一条叶片翼型原始参数曲线，选取叶片各半径处翼型原始参数的n个点作为拟合曲线的基准点，首部点代表B-spline曲线的起点，尾部点代表B-spline曲线的终点；

从叶片翼型原始参数曲线上由首部点至尾部点依次连接各半径出相应点对叶片翼型原始参数曲线进行拟合，针对所连接的每个点，均可作为第一条B-spline曲线的终点以及第二条B-spline曲线的起点，每个点所对应的两条B-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；

从每一条中间拟合曲线上截取n个拟合点与从叶片翼型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叶片翼型拟合参数曲线。

优选的，所述根据转子与导管入口的相对距离将导管模型和转子模型相连接形成完整的轮缘推进器模型之后，还包括：

通过调节导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，叶片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、前缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距，以及转子与导管入口的相对距离实现对轮缘推进器模型的参数化控制。

优选的，所述转子模型包括若干所述叶片翼型曲面模型；所述叶片翼型曲面模型通过在三维建模软件中对一个叶片翼型曲面模型进行旋转阵列得到。

根据本申请的另一方面，还提供一种计算设备，包括：处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行所述的全参数化轮缘推进器设计方法。

根据本申请的另一方面，还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的全参数化轮缘推进器设计方法。

与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：

1、本发明通过参数化的方式建立轮缘推进器，可以对导管形状、转子与导管入口的相对距离以及叶片形状的进行灵活控制，避免了繁琐操作。

2、本发明提供的全参数化轮缘推进器设计方法，通过改变特征参数，能够实现对实体模型的改变，从而可以用于对轮缘推进器性能进行优化。

3、本发明提供的全参数化轮缘推进器设计方法，能够实现轮缘推进器的参数化建模可以更好地建立轮缘推进器性能优化体系。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明全参数化轮缘推进器设计方法的整体流程示意图；

图2为本发明轮缘推进器导管翼型的翼型剖面示意图；

图3为本发明全参数化轮缘推进器设计方法中叶片翼型参数曲线与转子模型的映射关系；

图4为采用本发明所述全参数化轮缘推进器导管的正视结构示意图。

图5为采用本发明所述全参数化轮缘推进器导管的立体结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在轮缘推进器设计时，由于翼型的性能对于轮缘推进器整体性能起着决定性的作用，而叶片翼型剖面的外形直接影响着翼型的水动力性能。因此本发明利用适当的翼型参数化方法来描述连续光滑的翼型几何外形，并以此实现全参数化轮缘推进器设计。

通过全参数化建模的方式，实现对翼型外形的灵活控制，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。

如图1所示，一种全参数化轮缘推进器设计方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据设计要求选择轮缘推进器的导管翼型和叶片翼型；

步骤S2、根据选定的导管翼型和叶片翼型确定导管翼型和叶片翼型的参数；

如图2所示，在确定导管翼型和叶片翼型后，根据叶片翼型和导管翼型在不同径向下的翼型剖面的拱度分布线和厚度分布线，可以确定翼型剖面的特征参数：弦长(chord)、最大拱度(max camber)、最大厚度(maxthickness)、前缘半径(leading edge radius)和尾缘半径(trailing edge radius)。

其中，在翼剖面中，最前面的点被称为导缘点，而最后一个点被称为尾缘点。导缘点与尾缘点之间的距离被称为弦长，它是翼型的重要参数。翼型上表面的流速较快，被称为吸力面，而下表面的流速较慢，被称为压力面。

为了构建翼型的几何外形，以尾缘尖点作为圆心，在尾缘向导缘方向作圆与压力面和吸力面相切。将所有圆的圆心连接起来，形成翼剖面的拱度分布线。拱度分布线中，中线到内弦的最大距离被称为最大拱度(max camber)，而压力面和吸力面之间的最大距离被称为最大厚度(max thickness)。不同的导缘和尾缘形状会对翼型的性能产生不同的影响。为了满足设计要求，我们需要确保尾缘的厚度符合规定。因此，设定前缘半径(leadingedge radius)和尾缘半径(trailing edge radius)作为特征参数来控制导缘和尾缘的形状。这样可以使翼型的形状变化具有较好的灵活性。

此外，根据设计要求确定好导管翼型和叶片翼型后，本领域人员能够确定叶片翼型不同径向下的翼型剖面对应的纵倾(rake)、侧斜(skew)和螺距(pitch)转子与导管入口的相对距离(length)。

步骤S3、通过全参数化建模的方式，利用三维建模软件分别构建不同径向下的叶片翼型剖面模型和转子轮毂剖面模型。

根据拱度分布线、厚度分布线和相应特征参数，采用特征参数描述法建立叶片翼型不同径向下的翼型剖面模型，具体包括：

根据选定的叶片翼型在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。

其中，叶片翼型剖面的特征参数包括：弦长、最大拱度、最大厚度、前缘半径和后缘半径。

根据拱度分布线、厚度分布线和翼型剖面的特征参数，在三维建模软件中，采用特征参数描述法能够分别建立不同径向下的叶片翼型剖面模型。

转子轮毂为筒状结构，叶片固定于其内壁，其主要参数包括内径、外径及长度，在导管翼型确定的情况下，其参数能够较容易地确定，采用特征参数描述法能够建立不同径向下的转子轮毂剖面模型。

其中，三维建模软件优选为CAESES软件。

此外，本发明的全参数化轮缘推进器设计方法是基于能够依靠参数进行建模的建模软件实施的。因此，在能够满足利用参数进行建模的建模软件其他软件也可以作为建模软件。

步骤S4、利用叶片翼型剖面模型参数和转子轮毂剖面模型参数分别构建叶片翼型曲面模型和转子轮毂模型。

转子轮毂模型能够通过转子轮毂剖面模型叠加的方式构建，在此不再赘述。

根据叶片翼型不同径向下的翼型剖面模型的特征参数，如弦长、最大拱度、最大厚度、纵倾、侧斜和螺距，可以得到叶片翼型原始参数曲线，包括最大弦长曲线、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。

利用B-spline曲线拟合原理对每一条叶片翼型原始参数曲线进行曲线拟合，得到相应的叶片翼型拟合参数曲线。在曲线拟合过程中，对每一条原始参数曲线进行曲线拟合，以保证最终的叶片翼型拟合参数曲线与叶片翼型原始参数曲线的拟合点方差最小。通过对叶片翼型拟合参数曲线进行积分，得到叶片翼型的曲面模型，如图3所示。

其中，该过程可以采用CAESES软件的Curve Engine与Generic Blade功能实现。

在利用B-spline曲线拟合原理对每一条叶片翼型原始参数曲线进行曲线拟合时，包括以下步骤：

步骤S41、针对某一条叶片翼型原始参数曲线，选取叶片各半径处翼型原始参数的n个点作为拟合曲线的基准点，首部点代表B-spline曲线的起点，尾部点代表B-spline曲线的终点。

步骤S42、从叶片翼型原始参数曲线上由首部点至尾部点依次连接各半径出相应点对叶片翼型原始参数曲线进行拟合，针对所连接的每个点，均可作为第一条B-spline曲线的终点以及第二条B-spline曲线的起点，每个点所对应的两条B-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。

步骤S43、从每一条中间拟合曲线上截取n个拟合点与从叶片翼型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叶片翼型拟合参数曲线。

其中，方差计算公式如下式所示：

；

其中，表示方差，/>表示第n个拟合点的值，/>表示n个拟合点的平均值，n表示拟合点数量。

进一步地，在本实施例中，步骤S32从叶片翼型原始参数曲线上选取了10个拟合点用于曲线拟合。

此外，根据不同型号、规格及特性，在满足设计要求的前提下，可以在叶片翼型原始参数曲线上选取其他若干个拟合点用于曲线拟合。

通过该步骤，本发明能够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B-Spline曲线表达螺旋桨叶片各半径的特征参数，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叶片翼型曲面模型可以维持很好的光顺性。

步骤S5、将构建的叶片翼型曲面模型与转子轮毂模型相连接构成闭合的转子模型。

具体的，在三维建模软件中，通过布尔运算将叶片翼型曲面模型与构建的转子轮毂模型相连接构成闭合的转子模型。

进一步地，转子模型包括若干叶片翼型曲面模型，在一个叶片翼型曲面模型构建完成后，其他叶片翼型曲面模型通过在三维建模软件中对一个叶片翼型曲面模型进行复制旋转得到。

步骤S6、根据导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，利用三维建模软件，建立导管模型。如图4所示。

由于沿轴向的若干导管翼型剖面是相同的，因此导管翼型剖面的基本参数在确定导管翼型后能够较容易获得，利用三维建模软件采用特征参数描述法能够建立导管模型。

步骤S7、根据转子与导管入口的相对距离将导管模型和转子模型相连接形成完整的轮缘推进器模型。如图5所示。

导管在轮缘推进器中主要起到的是限制水流的湍流，使其流动更加平稳，并且可以提高螺旋桨的效率，能够增加推力。

优选的，一种全参数化轮缘推进器设计方法在步骤S6之后，还包括：

步骤S8、通过调节导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，叶片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、前缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距，以及转子与导管入口的相对距离实现对轮缘推进器模型的参数化控制。

具体的，在三维建模软件中，通过改变上述各项参数，能够实现对翼型形状的改变，进而实现对轮缘推进器的参数化控制。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全参数化轮缘推进器设计方法，其特征在于，包括：

根据设计要求选择轮缘推进器的导管翼型和叶片翼型；

根据选定的导管翼型和叶片翼型确定导管翼型和叶片翼型的参数；

通过全参数化建模的方式，利用三维建模软件分别构建不同径向下的叶片翼型剖面模型和转子轮毂剖面模型；

利用叶片翼型剖面模型参数和转子轮毂剖面模型参数分别构建叶片翼型曲面模型和转子轮毂模型；

将构建的叶片翼型曲面模型与转子轮毂模型相连接构成闭合的转子模型；

根据导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，利用三维建模软件，建立导管模型；

根据转子与导管入口的相对距离将导管模型和转子模型相连接形成完整的轮缘推进器模型；

其中，所述利用叶片翼型剖面模型参数和导管翼型剖面模型参数分别构建叶片翼型曲面模型和转子轮毂模型，包括：

根据叶片翼型不同径向下的翼型剖面模型的特征参数，得到叶片翼型原始参数曲线；

利用B-spline曲线拟合原理对每一条叶片翼型原始参数曲线进行曲线拟合，得到相应的叶片翼型拟合参数曲线；

通过对叶片翼型拟合参数曲线进行积分，得到叶片翼型的曲面模型；

所述利用B-spline曲线拟合原理对每一条叶片翼型原始参数曲线进行曲线拟合，得到相应的叶片翼型拟合参数曲线包括：

针对某一条叶片翼型原始参数曲线，选取叶片各半径处翼型原始参数的n个点作为拟合曲线的基准点，首部点代表B-spline曲线的起点，尾部点代表B-spline曲线的终点；

从叶片翼型原始参数曲线上由首部点至尾部点依次连接各半径出相应点对叶片翼型原始参数曲线进行拟合，针对所连接的每个点，均可作为第一条B-spline曲线的终点以及第二条B-spline曲线的起点，每个点所对应的两条B-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；

从每一条中间拟合曲线上截取n个拟合点与从叶片翼型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叶片翼型拟合参数曲线。

2.如权利要求1所述的全参数化轮缘推进器设计方法，其特征在于，所述通过全参数化建模的方式，利用三维建模软件分别构建不同径向下的叶片翼型剖面模型和导管翼型剖面模型，包括：

根据选定的叶片翼型和导管翼型在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；

根据拱度分布线、厚度分布线和翼型剖面的特征参数，采用特征参数描述法分别建立不同径向下的叶片翼型剖面模型和导管翼型剖面模型。

3.如权利要求2所述的全参数化轮缘推进器设计方法，其特征在于，所述翼型剖面的特征参数包括：弦长、最大拱度、最大厚度、前缘半径和后缘半径。

4.如权利要求3所述的全参数化轮缘推进器设计方法，其特征在于，所述翼型剖面模型的特征参数包括：弦长、最大拱度、最大厚度、前缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距；

所述叶片翼型原始参数曲线包括：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。

5.如权利要求4所述的全参数化轮缘推进器设计方法，其特征在于，所述根据转子与导管入口的相对距离将导管模型和转子模型相连接形成完整的轮缘推进器模型之后，还包括：

通过调节导管翼型不同径向下的翼型剖面模型对应的特征参数，叶片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、前缘半径、尾缘半径、纵倾、侧斜和螺距，以及转子与导管入口的相对距离实现对轮缘推进器模型的参数化控制。

6.如权利要求5所述的全参数化轮缘推进器设计方法，其特征在于，所述转子模型包括若干所述叶片翼型曲面模型；所述叶片翼型曲面模型通过在三维建模软件中对一个叶片翼型曲面模型进行旋转阵列得到。

7.一种计算设备，其特征在于，包括：处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行如权利要求1至6任一项所述的全参数化轮缘推进器设计方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1至6任一项所述的全参数化轮缘推进器设计方法。