基于AutoCAD二次开发的船用螺旋桨三维建模的研究*

徐晓栋++龚非++苏召宁++纪陈飞

摘 要：根据螺旋桨图谱、坐标转换原理将螺旋桨的二维图形转换成三维图形，并采用AutoCAD的VBA二次开发实现了螺旋桨的三维建模。

关键词：螺旋桨；VBA；三维建模；AutoCAD

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.007

1 螺旋桨桨叶特征分析

螺旋桨二维图如图1所示。螺旋桨桨叶一般由侧视图、投影轮廓图、伸张轮廓图、型值表和外形尺寸表等组成。图1中的a为侧视图，桨叶中间的母线为参考线，即OU线，母线OU与轴线OX的夹角θ为纵倾角，t表示该半径处叶切面的最大厚度，最大厚度的延长线与轴线交点、原点的距离为假想厚度；图1中的b为投影轮廓图；图1中的c为桨叶的伸张轮廓图，反映桨叶在0.2R～0.9R处叶切面的展开轮廓，包含螺距、导边和随边与叶面参考线的距离、最厚位置等数据。

a.侧视图 b.正视图 c.伸张轮廓图

图1 螺旋桨二维图

2 螺旋桨三维曲面型值的转换

螺旋桨桨叶与同轴不同半径的圆柱面相交得到螺旋面，经过投影得到叶切面型值点坐标，其投影关系如图2所示。图1是由图2提供的叶切面尺寸表和桨叶轮廓尺寸表等数据绘制的。利用设计逆过程，将二维尺寸利用空间坐标转化关系转化成三维空间点。

图2 螺旋桨叶型空间转化示意图

由图2可见，全局坐标系为OXYZ，OY是螺旋桨平放时的竖直方向，OXZ面与轮毂端面平行，O′是参考线OH与圆柱面的交点。其中，坐标系O′X′Y′Z′与坐标系OXYZ平行。将局部坐标系O′X′Y′Z′转换到O1X1Y1Z1的计算方式为：

. （1）

式（1）中：φ为螺距角，°。

式（1）中tanφ的计算方法为：

. （2）

将坐标系O′X′Y′Z′转换到全局坐标系OXYZ下，由柱面公式可得到：

. （3）

由式（3）可得到全局坐标系OXYZ的坐标：

式（5）中：θ为后倾角，°。

3 螺旋桨的三维建模

螺旋桨二维图的数据一般由螺旋桨设计桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表构成，同时，可根据投影几何关系完成三幅图形的绘制。本文以某MAU3-55型型螺旋桨为例，阐述三维建模的过程。

3.1 螺旋桨的特征

以某厂MAU3-55型螺旋桨为例，其直径为5.6 m，螺距比P/D=0.7，盘面比为0.55，纵倾角为10°，螺旋桨效率为0.55，毂径比为0.18，旋向为右旋。该螺旋桨的桨叶轮廓尺寸如表1所示，叶切面尺寸如表2所示。

表1 MAU3-55型螺旋桨桨叶轮廓尺寸表

叶片宽度以最大叶片宽度的百分比表示 r/R 0.2 … 1

从母线到叶片随边的距离 27.96 … 17.29

实际值 482.58 … 298.4

从母线到叶片导边的距离 38.58 …

实际值 665.88 …

叶片宽度 66.54 …

实际值 1 148.5 …

以叶片宽度百分比表示从导边至最厚点的距离 32.00 …

实际值 367.51 …

叶片厚度用D的百分比表示 4.06 … 0.3

实际值 227.36 … 16.8

表2 MAU3-55型螺旋桨叶切面尺寸表（以0.5R挡位为例）

0.5 X 0 … 100

实际值 0.0 … 1 628.3

Yo 35 … 4.5

实际值 51.9 … 6.7

Yu 0

实际值

3.2 螺旋桨二维坐标转化成三维坐标

三维螺旋桨桨叶的三维空间转化步骤如下：①根据表1，采用Excel公式编辑功能，并根据螺旋桨的型号特征，计算相应的螺旋桨设计桨叶轮廓尺寸；②根据表1的螺旋桨设计桨叶轮廓尺寸，计算表2中每个挡位的叶切面尺寸；③根据表1和表2的数据，再根据式（4）计算三维空间型值点。二维点转化

成三维空间点的过程如图3所示。

3.3 基于AutoCAD二次开发的三维建模

AutoCAD软件的VBA二次开发功能可有效调用表1和表2的Excel螺旋桨型面数据。将每个挡位的空间型值点用样条曲线光滑连接，其部分程序为：

For j = 2 To 10

If InStr（Sheet1.Cells（j， 5）.Value， ""） = 0 Then

Exit For

End If

n = （j - 2） * 3

fitPoints（n） = Sheet.Cells（j， 5）.Value

fitPoints（n + 1）） = Sheet.Cells（j， 6）.Value

fitPoints（n + 2） = Sheet.Cells（j， 7）.Value

Next j

startTan（0） = 0

startTan（1） = 0

startTan（2） = 0

endTan（0） = 0

endTan（1） = 0

endTan（2） = 0

Set splineObj = ThisDrawing.ModelSpace.AddSpline（fitPoints， startTan， endTan）

ZoomAll

End Sub

生成样条曲线后通过放样、阵列等命令生成三维螺旋桨模型，如图4所示。

图3 二维点转化成三维空间点 图4 三维螺旋桨模型

4 结论

本文结合螺旋桨的侧视图、投影轮廓图、伸张轮廓图、叶切面尺寸表和桨叶轮廓尺寸表，通过空间坐标转化关系，将二维型值点转化成三维空间型值点。通过AutoCAD的VBA二次开发，采用样条曲线，自动拟合每个挡位型线，并通过放样、阵列等指令完成三维螺旋桨的建模。该方法直接调用了AutoCAD二维图形数据和Excel型值数据，无需转入其他软件中进行数据转化，提高了建模的效率和质量。

参考文献

[1]彭勤学.基于Solidworks的船用螺旋桨建模[J].武汉交通职业学院学报，2014，16（2）.

[2]吴利红，董连斌，许文海.基于MATLAB和ProE的螺旋桨三维建模[J].大连海事大学学报，2011，37（2）.

[3]刘胜，张丽敏.计算机辅助技术在螺旋桨总图绘制上的应用[J].图学学报，2012，33（1）.

[4]张帆.AutoCAD VBA二次开发教程[M].北京：清华大学出版社，2006.

〔编辑：张思楠〕