计算机辅助技术在螺旋桨总图绘制上的应用

刘 胜， 张丽敏

（1. 上海工程技术大学机械工程学院，上海 200336；

2. 中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

计算机辅助技术在螺旋桨总图绘制上的应用

刘 胜1， 张丽敏2

（1. 上海工程技术大学机械工程学院，上海 200336；

2. 中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

利用AutoCAD提供的二次开发工具VBA实现了螺旋桨总图的自动绘制，详细介绍了螺旋桨总图绘制的方法与步骤，重点从伸张轮廓的绘制、正投影轮廓的绘制和侧投影轮廓的绘制三方面说明了螺旋桨总图绘制的实现过程。并在此基础上开发了常规螺旋桨计算机辅助设计系统。该系统能提高工作效率，为船用螺旋桨的精确和高效绘图寻求了一条新的途径。

计算机应用；螺旋桨；二次开发；伸张轮廓

螺旋桨设计是船舶设计中重要的组成部分。随着造船工业的飞速发展，手工计算由于工作量大、效率低、且有一定的读数误差，已经不能适应设计单位和造船厂的需要。为此，许多单位和机构都在研制开发螺旋桨的计算机辅助设计程序，并取得了一定的进展[1-5]。本文用 AutoCAD提供的VBA(Visual Basic for Applications)应用程序系统进行二次开发，完成常规螺旋桨总图的自动绘制工作。经实例校核，设计结果比较准确，能够用于生产实际。

1 螺旋桨及螺旋桨总图

船用螺旋桨是船舶推进器的一种。它的主要作用是把船舶主机的动力转变为推力，以克服船舶前进时所受的阻力。图1为螺旋桨的结构图，通常螺旋桨由桨毂和桨叶两部分组成，桨毂是固定桨叶并连接桨轴的回转体。桨毂的大端为船首方向，小端为船尾方向。该螺旋桨正车运转时，桨叶上先入水的一边称为导边，后入水的一边称为随边。

图1 螺旋浆结构图

螺旋桨总图的主要目的是给出螺旋桨的形状及各部结构，以便能按总图绘制施工详图供制造需要。图2为螺旋桨总图，包括伸张轮廓图、正投影轮廓图、侧投影轮廓图。取螺旋桨轴线垂直投影面，桨毂小端朝外，得正投影图，如图2(b)所示。侧投影面位于正投影的左边，为螺旋桨右视图。用与桨轴同轴的圆柱面剖切桨叶，展开后的剖面形状要根据设计要求决定。如图2中Q-Q剖面，其圆柱面半径为0.6R，展开剖面在该半径处倾斜成螺旋升角φ，伸张轮廓是指其中每个展开剖面都转动了一个升角φ而平放着，其包络轮廓比实际投影轮廓要大。在螺旋桨的设计中，一般采用专门的计算机辅助设计软件，但通常仅得到螺旋桨的主要要素 和水动力性能[6]，缺乏图形生成功能。通过计算机自动绘制总图，能缩短产品的设计周期，提高设计质量。

图2 螺旋桨总图

2 螺旋桨总图输出的绘制方法与步骤

螺旋桨总图包括伸张轮廓、正投影轮廓、侧投影轮廓三图。下面分别对其绘制方法加以介绍。

2.1 伸张轮廓的绘制

螺旋桨伸张轮廓图包括伸张轮廓曲线和叶切面轮廓。

2.1.1 伸张轮廓曲线的绘制

螺旋桨的伸张轮廓曲线是将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，并光滑连接端点所得之轮廓[7]。通常在设计中，已决定了螺旋桨各半径处切面形状和桨叶的伸张轮廓。根据螺旋桨的叶数、盘面比和直径，由型值表，可得出螺旋桨各半径处的切面形状和桨叶的伸张轮廓。对于AU型桨叶片最大宽度在0.66r/R处，计算公式为

式中，Hmax为最大航速；D为螺旋桨直径；Z为桨叶数；AE为盘面面积；A0为最小盘面面积。

伸张轮廓曲线图形绘制过程中用的最多的线条就是B样条曲线。B样条曲线在AutoCAD中被称为Spline曲线，它可以将平面或空间上的任意3个点或3个以上的点，连成一条光滑的曲线。要创建一条B样条曲线，使用AddApline方法。该方法要求的参数有存放构线点的数组、起始点切线方向和终止点切线方向。其语法如下：

创建方式：ThisDrawing.ModelSpace.AddSpline ThisDrawing.PaperSpace.AddSpline BlockObject.AddSpline

程序在运行过程中链接并打开型值表，查询所需单元值，将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，光顺联接端点即得伸张轮廓，如图3所示。2.1.2 叶切面轮廓的绘制

图3 螺旋浆伸张轮廓

螺旋桨的伸张轮廓由伸张轮廓曲线和若干半径(8～9个)处的叶切面形状组成。各半径处叶切面轮廓一般由一曲线段和一折线组成。以往开发的切面绘制程序，对于每个切面都采用独立编写代码，从而导致代码的冗长。在本程序中，通过循环控制来绘制各个切面。AU、MAU系列桨有 0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.95九个切面，通过循环控制查询Excel单元格值，再乘以相应计算值，得出各半径切面上的点进而绘制处切面形状，从而就可以减少代码的长度，提高运行效率。叶切面尺寸如表1所示。

表1 叶切面尺寸

使用Spline对象中AddApline方法，可以绘制B样条曲线，完成叶切面轮廓中的曲线部分；使用LightWeightPolyline对象中的AddLightWeightPolyline方法，可以绘制叶切面轮廓中的折线部分，叶切面轮廓如图3。代码如下：

2.2 正投影轮廓图的绘制

图4 螺旋桨几何作图

螺旋桨正投影轮廓图可以用不同r/R处导边和随边上对应点，用坐标变换实现[8-11]，如图4所示。以A'为坐标原点，C'点为正投影轮廓导边上的点，其坐标为(x1,y1)，B'点为正投影轮廓图随边上的点，其坐标为(x2,y2)。

式中，D为螺旋桨直径；P为螺旋桨螺距；R为螺旋桨半径；r为螺旋桨叶切面半径；H1为辐射基线到导边的距离；H2为辐射基线到随边的距离。

2.3 侧投影图的绘制

在侧投影图上，作垂直于浆轴的线A''K''， 由B'求出B''，使B''到A''K''的距离为BM，依次求出不同R处的各个B''，连接即得一部分投影轮廓。D点为展开剖面图形中的最大y坐标点，在正投影图的圆弧上取D APA′′=，得D'。由D'求出D''，使D''到A''K''的距离为DP，依次求出不同R处的各个D''，连接即得另一部分投影轮廓。

螺旋桨侧投影轮廓可以通过不同r/R处导边和随边上的对应点，用坐标变换实现，如图4所示。以A''为坐标原点，D''点为侧投影轮廓导边上的点，其坐标为(x3,y3)，B''点为侧投影轮廓随边上的点，其坐标为(x4,y4)。

式中，α，β如式（6），式（7）；φ为螺旋升角；θ为螺旋桨桨叶纵斜角；R为螺旋桨半径；r为螺旋桨叶切面半径；H1为辐射基线到导边的距离；H2为辐射基线到随边的距离。

3 程序设计的运行结果

运行程序，通过用户输入主要参数，计算出叶片轮廓，叶切面型值、螺旋桨的重量和惯性矩，自动绘制伸张轮廓，正投影图和侧投影图，同时自动完成标题栏，参数表和尺寸标注。运行结果如图5所示。

图5 螺旋桨总图

为了验证成果的可操作性，作者选择了多个案例进行验证。对比MAU型和B型系列螺旋桨的手工计算和计算机辅助设计的结果，误差大都在5/1000以内，能满足工程的需要。

4 结 束 语

本软件是基于 AutoCAD平台，应用AutoCAD VBA二次开发出的常规螺旋桨计算机辅助设计系统，只要用户选择好常规螺旋桨的设计类型并输入相应的参数后，即能自动实现各类常规螺旋桨的设计和绘图工作，并能自动生成计算书。经过实例校验，本系统完全能够用于螺旋桨的设计，同时，由于本系统对支持环境要求不高，使用、维护均较方便，故本设计系统具有推广应用的价值和条件。

[1]胡 健, 黄 胜, 王培文. 螺旋桨水动力性能的数值预报方法[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版),2008, 22(1)：1-4.

[2]Renick D H. An improved analysis methodology for the prediction of steady propulsor performance marine technology [J]. Journal of Ship Research, 2001, 68(2)：95-101.

[3]Dekanski C W, Bloor M I G. Computer-aided functional design of a marine propeller [J]. Journal of Ship Research, 1996, 40(2)：117-124.

[4]张宏伟, 王树新, 侯 巍. 螺旋桨三维健模方法研究[J]. 机床与液压, 2006, (5)：60-62.

[5]Griffin P E, Kinnas S A. Design method for high-speed propulsor blades [J]. Journal of Fluids Engineering,1998, 120(3)：556-562.

[6]谢云平, 张 伟, 李 娟. 基于NAPA的螺旋桨几何造型和图形生成方法研究[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版), 2009, 23(1)：9-12.

[7]张远双. 螺旋桨伸张轮廓参数化绘制程序的设计[J].造船技术, 2007, 277(3)：19-22.

[8]辛衍民, 薛大川. 螺旋桨坐标制图法[J]. 造船技术,1993, 116(10)：41-44.

[9]肖邵予, 杨定邦, 张涤非. 计算机辅助螺旋桨绘图系统开发[J]. 船舶科学技术, 2002, 24(5)：55-59.

[10]王国强, 杨晨俊. 空泡螺旋桨升力面理论设计方法[J].船舶力学, 2002, 6(1)：11-17.

[11]中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册(总体分册)[M]. 北京：国防工业出版社, 1997：253-316.

Application of propeller drawing based on computer aided drawing

Liu Sheng1, Zhang Limin2
( 1. College of Machanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200336, China;2. 27th Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Zhengzhou Henan 450047, China )

The propeller automatical drawing is obtained by using the secondary-development technology VBA of AutoCAD. The method and basic steps to achieve drawing of propeller are introduced, especially the drawing of expanded outline, project outline and side projection. And the computer aided design system of conventional propeller is developed on the base of it. The system can improve the efficiency of design and find a new way to plot marine propeller exactly and effectively.

computer application; propeller; secondary-development; expanded outline

TP 391

A

1003-0158(2012)01-0015-04

2009-06-16

上海市选拔培养高校优秀青年教师专项基金资助项目（05XPYQ36）

刘 胜（1977-），女，湖南益阳人，副教授，硕士，主要研究方向为CAD/CAM/CE。