基于UG的螺旋槳的曲面造型論文.doc

南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1基于UG的螺旋槳的曲面造型1緒論1.1論文背景螺旋槳是船泊動(dòng)力系統(tǒng)中的一個(gè)重要零件，自從蒸汽機(jī)出現(xiàn)以后，它就開(kāi)始應(yīng)用于船舶上，并成為了海船的主要推進(jìn)形式。螺旋槳是一種典型的自由曲面零件，它的曲面形狀和制造精度直接決定了船泊的推進(jìn)效率和噪音的大小，而其曲面造型的研究將有助于提高該類零件的加工精度和加工效率1。由于它形狀復(fù)雜，而且各個(gè)槳葉可能互相覆蓋，導(dǎo)致其加工費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，加工精度和效率難以提高。螺旋槳的加工實(shí)際上就是對(duì)自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是機(jī)械加工領(lǐng)域的難點(diǎn)，同時(shí)也是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自由曲面之所以難以加工是由其本身的幾何特點(diǎn)所決定的。自由曲面是不能由初等解析曲面組成，而是以復(fù)雜方式自由變化的曲面。這類曲面單純用畫(huà)法幾何與機(jī)械制圖是不能表達(dá)清楚的，它是工程中最復(fù)雜而又經(jīng)常遇到的曲面，在航空、造船、汽車、能源、國(guó)防等部門(mén)中許多零件的外形如各種螺旋槳槳葉曲面、各種葉片曲面、許多變螺距旋面以及模具工作表面等均為空間自由曲面，其形狀復(fù)雜、材料難以加工、精度要求高，在整個(gè)部件生產(chǎn)過(guò)程中其加工質(zhì)量和加工效率的高低舉足輕重。所以這就要求我們尋求新的既方便有合理有效的曲面造型方法。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，采用UG給螺旋槳造型越來(lái)越凸顯出它方便，直觀，具體化的優(yōu)勢(shì)，成為螺旋槳造型的最主要方式之一。綜上所述，對(duì)基于UG螺旋槳的三維造型的研究意義重大，它是國(guó)家航海及造船技術(shù)的標(biāo)志之一。而且我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域起步較晚，具有很大的研究發(fā)展空間，因此本文選此課題進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。1.2文獻(xiàn)綜述1.2.1螺旋槳的發(fā)展歷程古代的車輪，即歐洲所謂“槳輪”，配合蒸汽機(jī)，將原來(lái)槳輪的一列直葉板斜裝南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2于一個(gè)轉(zhuǎn)轂上,構(gòu)成了螺旋槳的雛型。古代的風(fēng)車，隨風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)可以輸出扭矩，反之，在水中，輸入扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)車，水中風(fēng)車就有可能推動(dòng)船運(yùn)動(dòng)。在當(dāng)時(shí)，已經(jīng)使用了好幾個(gè)世紀(jì)的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式結(jié)構(gòu)能打水這一事實(shí)，作為推進(jìn)器是重要的啟迪。偉大的英國(guó)科學(xué)家虎克在1683年成功地采用了風(fēng)力測(cè)速計(jì)的原理來(lái)計(jì)量水流量，于此同時(shí)，他提出了新的推進(jìn)器虎克螺旋槳推進(jìn)船舶，為船舶推進(jìn)器作出了重大貢獻(xiàn)。1752年，瑞士物理學(xué)家白努利第一次提出了螺旋槳比在它以前存在的各種推進(jìn)器優(yōu)越的報(bào)告，他設(shè)計(jì)了具有雙導(dǎo)程螺旋的推進(jìn)器，安裝在船尾舵的前方。1764年，瑞士數(shù)學(xué)家歐拉研究了能代替帆的其它推進(jìn)器，如槳輪（明輪）噴水，也包括了螺旋槳。潛水器和潛艇在水面下活動(dòng)，傳統(tǒng)的槳、帆無(wú)法應(yīng)用，笨重龐大的明輪也難適應(yīng)。于是第一個(gè)手動(dòng)螺旋槳，不是用在船上，而是作為潛水器的推進(jìn)工具。蒸汽機(jī)問(wèn)世，為船舶推進(jìn)器提供了新的良好動(dòng)力，推進(jìn)器順應(yīng)蒸汽機(jī)的發(fā)展，成為船舶推進(jìn)的最新課題。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)螺旋槳的是美國(guó)人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘76米長(zhǎng)的小船，用蒸汽機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在哈得遜河上做第一次實(shí)驗(yàn)航行，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不行，于是換上瓦特蒸汽機(jī)，實(shí)驗(yàn)航速是4節(jié)，最高航速曾達(dá)到8節(jié)。斯蒂芬螺旋槳有4個(gè)風(fēng)車式槳葉，它鍛制而成，和普通風(fēng)車比較它增加了葉片的徑向?qū)挾龋瑸樵趯?shí)驗(yàn)中能選擇螺距與轉(zhuǎn)速的較好配合，槳葉做成螺距可以調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)。在哈得遜河上兩個(gè)星期的試驗(yàn)航行中，螺旋槳改變了幾個(gè)螺距值，但是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都不理想，性能遠(yuǎn)不及明輪。這次實(shí)驗(yàn)使他明白，在蒸汽機(jī)這樣低速的條件下，明輪的優(yōu)越性得到了充分發(fā)揮，它的推進(jìn)效率高于螺旋槳是必然的結(jié)論。阿基米德螺旋的引入，最早見(jiàn)于1803年，1829年有英國(guó)的阿基米德螺旋槳的專利。并在此基礎(chǔ)上于1840-1841年建造了一些民用的螺旋槳。1843年，英國(guó)海軍在“雷特勒”號(hào)艦上，第一次以螺旋槳代替明輪，隨后由斯密士設(shè)計(jì)了20艘螺旋槳艦，參加了對(duì)俄戰(zhàn)爭(zhēng)，斯密士成為著名人物。1843年，美國(guó)海軍建造了第一艘螺旋槳船“浦林西登”號(hào)，它是由艦長(zhǎng)愛(ài)列松設(shè)計(jì)，在愛(ài)列松的積極推廣下，美國(guó)相續(xù)建造了41艘民用螺旋槳船，最大的排水量達(dá)2000噸。盡管英、美等國(guó)取得了一些成功，但是螺旋槳用作船舶推進(jìn)還有很多問(wèn)題，如在木殼船上可怕的振動(dòng)，在水線下的螺旋槳軸軸承磨損，槳軸密封，推力軸承等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，螺旋槳的上述缺陷，一個(gè)一個(gè)地克服，以及蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，愈來(lái)愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年，“大東方”號(hào)裝有當(dāng)時(shí)世界上最大的螺旋槳，它的直徑有73米，重量達(dá)36噸，轉(zhuǎn)速每分種50轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)，推進(jìn)器標(biāo)準(zhǔn)不再具有權(quán)威性，由于螺旋槳的推進(jìn)效率接近明輪，而且它卻具有許多明南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文3輪無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)點(diǎn)，明輪逐步在海船上消失。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，許多機(jī)械裝置的性能在人們還不太清楚的時(shí)候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們?cè)诓煌耆斫馑奈锢硪?guī)律和沒(méi)有完整的理論分析以前，這些裝置很難達(dá)到它的最任性能。螺旋槳也不例外，直到1860年，雖然它在海船上已經(jīng)成為一枝獨(dú)秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經(jīng)驗(yàn)。螺旋槳的理論研究，在船舶技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，它比任何一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都做得多，從經(jīng)驗(yàn)方法過(guò)渡到數(shù)字化設(shè)計(jì)，再進(jìn)而應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行螺旋槳最佳化的設(shè)什。一個(gè)好的螺旋槳其設(shè)計(jì)是非常重要的，模型試驗(yàn)也起著主要的作用。近代螺旋槳的發(fā)展，由于我國(guó)自19世紀(jì)中葉淪為半殖民地，很少有貢獻(xiàn)。解放后，我國(guó)造船事業(yè)得到新發(fā)展，對(duì)螺旋槳技術(shù)也進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)、研究工作，為各類艦船配上了大量自己設(shè)計(jì)制造的螺旋槳。最值得驕做的是“關(guān)刀槳”的問(wèn)世，它是我國(guó)在螺旋槳技術(shù)發(fā)展中的一大創(chuàng)造。那是在60年代，廣州文沖船廠有一位師傅，名叫周挺，他根據(jù)自己幾十年制做螺旋槳的經(jīng)驗(yàn)，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國(guó)演義中關(guān)公的82斤重大刀的式樣，他形象地叫它“關(guān)刀槳”。“關(guān)刀槳”曾在一些船上試驗(yàn)航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振動(dòng)卻大大地減弱了。在當(dāng)時(shí)的長(zhǎng)江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用，都取得了良好的效果，這一成就，吸引了許多造船界人士。1973年，在上海首先做了“關(guān)刀槳”敞水試驗(yàn)研究，同時(shí)還提供了設(shè)計(jì)圖譜。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，許多機(jī)械裝置的性能在人們還不太清楚的時(shí)候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們?cè)诓煌耆斫馑奈锢硪?guī)律和沒(méi)有完整的理論分析以前，這些裝置很難達(dá)到它的最佳性能。螺旋槳的進(jìn)步，只依靠專家們的直觀推理，已經(jīng)不能滿足船舶技術(shù)的發(fā)展需要，它有待科學(xué)家對(duì)其流體動(dòng)力特性做出完整的解釋，這就促使螺旋槳理論的發(fā)展。1.2.2螺旋槳曲面造型的發(fā)展?fàn)顩r船用螺旋槳是船用推進(jìn)器中效率比較高，應(yīng)用最廣的一種，其主要功用是使船舶前進(jìn)和后退，有時(shí)也協(xié)助船舶回轉(zhuǎn)。船舶的性能主要取決于該船的船型、主發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳三大因素。而螺旋槳的推進(jìn)效率又主要取決于螺旋槳槳葉的設(shè)計(jì)與制造螺旋槳通常由槳葉和槳毅兩部分組成，而槳葉又分為葉面和葉背。葉面的中間區(qū)域通常采用等螺距螺旋面或變螺距螺旋面設(shè)計(jì)，而導(dǎo)邊和隨邊處則采用流線型設(shè)計(jì)；葉背則是根據(jù)不同半徑處的切面厚度來(lái)決定的2。因此，它的設(shè)計(jì)和制造相對(duì)于常規(guī)機(jī)械零件復(fù)雜得多。通常給出螺旋槳的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，首先要對(duì)螺旋槳造型，所涉及的就是自由曲面的造型問(wèn)題。曲面造型的好壞，直接決定了其加工質(zhì)量。而自由曲面的造型屬于南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4CAGD(計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì))學(xué)科領(lǐng)域3。當(dāng)前曲面造型的主流方法之一就是B樣條方法(basicspline)。根據(jù)給定的船體型值點(diǎn)，以三次非均勻B樣條為光順函數(shù)，采用整體光順?lè)椒?，以?yīng)變能最小、曲率變化均勻?yàn)闇?zhǔn)則，以控制點(diǎn)為未知量，建立最優(yōu)化問(wèn)題的約束方程并求解，實(shí)現(xiàn)船體曲線的光順11。根據(jù)曲線的相對(duì)曲率線圖，將優(yōu)化后的光順B樣條船體曲線與插值B樣條曲線、傳統(tǒng)最小二乘法逼近曲線進(jìn)行了比較。構(gòu)循規(guī)蹈矩本曲面，以UV方向上的單參數(shù)曲線族或站線、水線、縱剖線方向的截面曲線族為研究對(duì)象，以曲線族的應(yīng)變能之和最小為準(zhǔn)則，進(jìn)行光順處理，最后，以NURBS為統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)光順后得到的控制點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用雙三次非均勻有理B樣條得到光順的船體曲面。船體的外形較為復(fù)雜,其形狀的變化直接影響船舶的性能指標(biāo)，建立精確的幾何模型是設(shè)計(jì)高質(zhì)量船舶的基礎(chǔ)。而船體曲面的計(jì)算機(jī)表達(dá)是對(duì)船體曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)、相關(guān)性能分析與計(jì)算以及后續(xù)CAM實(shí)現(xiàn)的必要基礎(chǔ).船體曲面是具有雙曲度的相當(dāng)復(fù)雜的空間曲面，不能用規(guī)則的解析曲面進(jìn)行描述,因此如何更加合理地運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá)船體曲面形狀一直是造船界追求的關(guān)鍵目標(biāo)之一。非均勻有理B樣條(NonUniformRationalBSpline,NURBS)曲面造型方法能夠同時(shí)表達(dá)自由曲線曲面和解析曲線曲面,故已成為船體曲面造型的研究熱點(diǎn)。曲面造型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(ComputerAidedGeometricDesign)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要研究在計(jì)算機(jī)圖象系統(tǒng)的環(huán)境下對(duì)曲面的表示、設(shè)計(jì)、顯示和分析4。它起源于飛機(jī)、船舶的外形放樣工藝，由Coons、Bezier等大師于六十年代奠定理論基礎(chǔ)。經(jīng)三十多年發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數(shù)化特征設(shè)計(jì)和隱式代數(shù)曲面表示這兩類方法為主體，以插值(Interpolation)、擬合(Fitting)、逼近(Approximation)這三種手段為骨架的幾何理論體系。我國(guó)學(xué)者在曲面造型技術(shù)的開(kāi)發(fā)中投入了艱巨的勞動(dòng)，取得了顯著的成績(jī)。其中值得提出的有復(fù)旦大學(xué)對(duì)參數(shù)曲線分類及形狀控制的研究和對(duì)多元散亂數(shù)據(jù)逼近擬合的研究，中國(guó)科技大學(xué)對(duì)Bezier曲面凸性條件的研究和對(duì)隱式曲面算法的研究，浙江大學(xué)對(duì)曲面幾何連續(xù)拼接理論的研究和對(duì)曲面幾何逼近方法的研究等。以上學(xué)術(shù)