基于VB.NET的船用螺旋槳自動建模方法研究

單東生，龔京風，姚炎炎，王 晴

（1.武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430065；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064）

1 引言

螺旋槳由于性能良好、效率較高等特點，是目前使用最為廣泛的艦船推進設備。它通過旋轉方式將主機傳遞過來的轉矩轉化為對外的推力，執行船舶動力的輸出。螺旋槳槳葉是典型的自由曲面零件，建模的關鍵問題是較難準確、快速得到螺旋槳葉切面的空間三維坐標。螺旋槳的形狀無法用數學公式進行描述，只能用數百個甚至更多的型值點來表示，并且從二維基礎數據到三維螺旋槳模型，需要大量的坐標變換及建模操作。

近年來，文獻[1]提出了螺旋槳型值點坐標計算程序設計方法，通過ProE軟件將數據文件手動導入進行實體建模，但未進行型值點導入軟件后的快速建模方法研究。文獻[2]對UG/Grip進行二次開發，對螺旋槳建模關鍵技術進行探討，對槳葉葉尖、根部過度等關鍵部位進行合理處理，建立精確的三維螺旋槳模型。文獻[3]利用MATLAB計算螺旋槳槳葉空間坐標點，通過ProE一次性讀入空間坐標點，但需手動建立三維實體螺旋槳。文獻[4]利用Ex‐cel手動操作完成槳葉型值點的計算，采用VB.NET 語言編寫程序，將Excel里的型值點坐標值數據導入CATIA 中，生成型值點云圖，但最終仍需手動完成螺旋槳三維模型的建立。

針對螺旋槳葉片模型結構較為復雜，手工進行三維建模操作繁瑣，并且容易出錯，需花費較多的時間和精力，本文提出了一種快速、精確地螺旋槳建模方法。通過VB.NET對CATIA進行二次開發，實現了從輸入螺旋槳數據、螺旋槳三維空間點的計算及螺旋槳三維實體模型建立完全程序化，使得復雜的螺旋槳建模變得簡單易操作。

2 螺旋槳槳葉型值點轉換公式推導

螺旋槳二維基礎數據由不同半徑的同軸圓柱面與槳葉相切，經過復雜投影變換得到。

二維基礎數據是局部平面坐標系內的數值，不可以直接用于三維建模，需要將各半徑處的葉切面二維基礎數據還原到對應的三維空間坐標系中[5]。

螺旋槳二維基礎數據包括：葉片弦長方向坐標X，葉片葉背及葉面坐標（葉背及葉面與弦線的垂直距離）Y1、Y2，弦長C，螺距P，半徑r，螺距角b，縱傾Ra，側斜Cs。通過以上參數，可以推導出從平面局部坐標系到空間全局坐標系的坐標變換公式。

首先建立坐標系：以螺旋槳軸線為z軸，指向船尾為正；以弦長為y軸，指向隨邊為正。由已知的X、Y1、Y2繪制葉片展開型線，如圖1所示。葉片型線坐標為：

圖1 葉片展開型線Fig.1 Profile of Blade Expansion

式中：X—葉片弦長方向坐標；C—弦長；Y1、Y2—葉片葉背及葉面坐標（葉背及葉面與弦線的垂直距離）；y0—由輸入表格中得到的葉片型線y坐標；z0背—由輸入表格中得到的葉片型線葉背z坐標；z0面—輸入表格中得到的葉片型線葉面z坐標。

將葉片二維基礎數據沿y軸移動Cs距離，繞x軸逆時針旋轉β角度，然后沿z軸正方向移動總縱頃Ra距離，最后向同軸圓柱面投影，得到各切面處型值點的三維空間坐標。最終得到螺旋槳葉切面二維基礎數據與三維型值點之間的轉換公式：

式中：x背—葉背x軸坐標值；y背—葉背y軸坐標值；z背—葉背z軸坐標值；x面—葉面x軸坐標值；y面—葉面y軸坐標值；z面—葉面z軸坐標值；r—半徑；X—給定的葉片弦長方向坐標；C—弦長；Cs—側斜；β—螺距角；Y1—葉背與弦線的垂直距離；Y2—葉面與弦線的垂直距離；Ra—縱傾。

3 螺旋槳自動建模方法研究

采用Excel完成螺旋槳二維基礎數據和三維型值點的存儲，利用CATIA完成螺旋槳三維型值點的導入、曲面建模、實體填充等建模流程。選用VB.NET編程語言將螺旋槳槳葉型值點轉換公式程序化，同時實現與Excel、CATIA軟件的交互，最終輸出三維螺旋槳模型，建模過程中不再需要人工繁瑣操作。螺旋槳自動建模流程圖，如圖2所示。

圖2 螺旋槳自動建模流程圖Fig.2 Flow Chart of Propeller Automatic Modeling

3.1 數據的讀取與存儲

在VB.NET環境下訪問Excel文件，需要引用Excel對象庫[6]。添加的方法是在項目菜單欄下，選擇添加引用子菜單，然后在添加引用對話框的Com 選項卡下選擇Microsoft Excel 14.0 Object Library，如圖3所示。

圖3 添加Excel對象庫Fig.3 Addition of the Excel Object Library

螺旋槳二維基礎數據按照固定格式存儲在Excel中，程序將自動讀取Excel中的數據，利用螺旋槳槳葉數據轉換公式，計算得到螺旋槳三維空間型值點，并存儲在三維型值點Excel文件中，便于后續導入CATIA。型值點轉換公式程序代碼如下所示：

XB=r*System.Math.Cos（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y1*System.Math.Sin（beta））/r）

YB=r*System.Math.Sin（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y1*System.Math.Sin（beta））/r）

ZB=（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Sin（beta）?Y1*System.Math.Cos（beta）+Ra

XC=r*System.Math.Cos（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y2*System.Math.Sin（beta））/r）

YC=r*System.Math.Sin（（（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Cos（beta）+Y2*System.Math.Sin（beta））/r）

ZC=（X?0.5*C+Cs）*System.Math.Sin（beta）?Y2*System.Math.Cos（beta）+Ra

3.2 螺旋槳自動建模

3.2.1 螺旋槳三維建模方法

螺旋槳在CATIA 中的建模過程為：（1）按照槳轂尺寸數據，構建槳轂；（2）將槳葉三維型值點導入，按各截面位置連接成曲線，得到型值點云圖，如圖4所示；（3）通過多截面曲線，曲面填充等操作，得到閉合的槳葉曲面；（4）將曲面縫合，形成實體；（5）以Z軸為軸線，將槳葉進行圓周陣列，得到完整螺旋槳，如圖5所示。

圖4 槳葉曲面型值點Fig.4 Points of Blade Surface

圖5 螺旋槳實體模型Fig.5 Model of the Propeller

3.2.2 CATIA的二次開發

通過編程方式訪問CATIA對象有進程內訪問和進程外訪問兩種方式。進程內訪問是指腳本和CATIA 在同一進程內運行，即在CATIA環境中運用宏腳本實現。

進程外訪問是指腳本運行不由CATIA 調用，CATIA 作為一個OLE（Object Linking and Embedding）自動化服務器，外部程序通過COM（Component Object Model）接口來訪問CATIA內部的對象[7]。與進程內訪問相比，進程外訪問功能強大，能夠制作個性化用戶界面，創建修改CATIA環境的數據參數，并且擁有豐富的函數庫來滿足復雜的開發需要[8]，因此本文選擇進程外訪問。

CATIA的二次開發主要有兩種：一種采用Automation技術，另一種采用CAA（Component Application Architecture，組件應用架構）技術[9]。

由于CAA 開發中涉及大量復雜的設計模式，而且必須用C++開發，編譯環境也必須是達索提供的編譯環境，而Automation開發可以基于C++，也可以使用C#、VB.NET等語言，這使得開發難度大大降低。這里以VB.NET為開發工具，利用Automation技術，建立進程外應用程序的方法進行二次開發工作。

在Visual Studio下對CATIA進行二次開發，需要引用CATIA的對象庫。與引用Excel對象庫步驟相同，引用CATIA對象庫只需在添加引用對話框中選擇“CATIA V5 GSMInterfaces Object Li‐brary”，“CATIA V5 MecModInterfaces Object Library”，“CATIA V5 PartInterfaces Object Library”，“CATIA V5 ProductStructureIn‐terfaces Object Library”。

上述對象庫的引用包含了零件設計、GSD模塊、裝配設計等基本模塊。如需對其他模塊中操作，添加相關對象庫即可。在引用對象庫后，需要在代碼最前面加入相關Imports 語句，如下所示：

Imports ProductStructureTypeLib

Imports MECMOD

Imports PARTITF

Imports HybridShapeTypeLib

通過進程外訪問CATIA，存在GetObject或CreateObject兩種方法連接到CATIA上。其中，GetObject方法是在CATIA已經運行時建立連接，而CreateObject方法則是先啟動CATIA后再建立連接。

一般將兩種方法合并起來使用，即無論CATIA是否運行，程序都可以訪問CATIA，代碼如下：

Dim CATIA As Object

On Error Resume Next

CATIA=GetObjec（t，"CATIA.Application"）

If Err.Number<>0 Then

CATIA=CreateObjec（t"CATIA.Application"）

CATIA.Visible=True

End If

On Error GoTo 0

與CATIA 建立連接，將建模過程宏錄制產生的VBScript 腳本進行修改，得到可使用的VB.NET腳本，從而避免大量繁瑣代碼的編寫，提高開發效率[10]。

3.3 軟件界面設計

采用VB.NET建立的螺旋槳自動建模軟件界面，如圖6所示。為了方便操作，界面上設置了三個按鈕、若干個TextBox控件以及一個PictureBox控件。通過單擊“打開Excel”按鈕，可以選擇存儲數據的Excel文件；單擊“讀取數據”按鈕，軟件讀取槳葉數據并轉換為三維型值點；最后單擊“螺旋槳生成”按鈕，在CATIA中自動生成螺旋槳實體模型。

圖6 螺旋槳自動建模軟件界面Fig.6 Interface of Propeller Automatic Modeling Software

4 螺旋槳自動建模方法驗證

4.1 槳葉光順性檢查

利用本文建立的螺旋槳自動建模方法，基于P4119螺旋槳二維基礎數據，建立槳葉三維模型。利用斑馬線檢查槳葉曲面光順性，結果，如圖7所示。

圖7 槳葉光順性檢查Fig.7 Inspection of Blade Smoothness

由圖可以看到，靠近槳轂處的斑馬線較為平滑，而葉稍處波動較大，即葉稍處曲面不夠光順，因此需要通過CATIA對其構成曲線進行光順性調整。

4.2 槳葉模態分析

將建立的p4119螺旋槳單個槳葉模型導入Workbench中，進行模態分析。螺旋槳的楊氏模量為127GPa，泊松比為0.33，密度為8410kg/m3。采用四面體單元進行網格劃分，單元長度為2 mm，網格總數為13209，節點總數為24306，如圖8所示。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite Element Model

將槳葉底面設置固定約束進行模態計算，模態分析結果，如表1所示，各階振型圖，如圖9所示。

表1 螺旋槳葉前5階固有頻率Tab.1 First Five Natural Frequencies of Propeller Blades

模態分析獲得物體的固有頻率和振型，并且固有頻率是其本身的一種物理特征，由結構、大小、形狀等因素決定。根據模態振型圖，看出葉梢部分變形最大，如圖9所示。與文獻[11]計算得到的前五階固有頻率相比，偏差都在5%以內。主要原因是文獻[11]將FLUENT 劃分的網格模型經過編程處理導入ANSYS 中，有限元模型建模方法以及網格模型不同，使得這里計算結果與其相比有所差別。

圖9 單個槳葉前5階振型Fig.9 First Five Modes of the Single Blade

5 結論

這里利用VB.NET語言開發了螺旋槳自動建模軟件，介紹了對Excel及CATIA軟件開發內容，通過軟件建立p4119模型，并且運用光順性檢查和模態分析檢驗螺旋槳建模的正確性，得到如下結論：

（1）運用推導的型值點轉換公式并且程序化，實現二維基礎數據到三維型值點的批量轉換，提高轉換效率以及正確率。

（2）通過對CATIA 的二次開發，實現螺旋槳的自動建模，避免手動建模的繁瑣操作。

（3）基于本文提供的建模方法，可以有效簡化建模過程，提高建模效率，為船用螺旋槳提供三維建模工具，為螺旋槳后續水動力特性、結構振動特性等研究提供了便利。