基于CAESES 的船用螺旋桨三维建模研究

王超，吴浩，韩康，赵雷明

哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

螺旋桨作为船舶领域中应用最广泛的推进器，其设计效率及建模精度直接影响着船舶的快速性、经济性与安全性。随着对螺旋桨高效、快速建模要求的提高，传统几何建模方法被先进的三维建模技术所取代，目前，应用较为广泛的软件包括Solidworks[1−2]、AutoCAD、CATIA[3]、ProE[4]和UG[5−8]等。

螺旋桨型表面十分复杂，具有变化的叶切面、螺距角、弦长等几何特性，螺旋桨三维建模的关键在通过空间坐标将复杂的桨叶型值进行表达，再选用合适的样条曲线、曲面进行拟合。而CAESES 作为一款主要应用于产品设计前期的参数化建模及优化设计软件，具有强大的三维参数化建模、耦合仿真、优化设计等功能，内部提供了丰富的点、线、面操作命令，可通过调整相应的控制参数实现曲线、曲面的平滑过渡，保证模型的光顺。目前被广泛应用于船舶[9−10]、航天、汽车[11]等领域产品的设计及性能优化工作中。

本文基于Fortran 编程语言，实现了输入桨叶参数得到桨叶表面网格点空间坐标；再通过Excel 进行数据的二次处理得到了CAESES 输入文件；最后导入feature，执行相应的操作快速生成了螺旋桨三维实体。针对不同种类螺旋桨，只需更改程序的输入文件即可，该方法简化了螺旋桨三维建模设计过程，规避了通用软件操作复杂的弊端，有效提高了螺旋桨的设计精度。

1 螺旋桨模型

螺旋桨主要由叶片和桨毂两部分组成。通常情况下，水面船舶螺旋桨桨叶有3～6 片，由于其特殊的几何外形无法用特定函数来表达曲面结构，因此常选用叶剖面的位置参数和其他类型的特征数据进行表示，螺旋桨的参数化变量包括螺距、纵倾、侧斜、弦长、厚度和拱度，这6 种类型的数据构成了螺旋桨建模的参变量体系[12]。

程序中，将螺旋桨固定于如图1 中的坐标系o−xyz中，原点o位于桨盘面的中心点，x轴沿桨毂轴线方向指向下游，y轴沿螺旋桨某一叶片的母线方向，z轴与x轴和y轴组成右手坐标系。

图1 螺旋桨坐标系

同时采用一柱坐标系o−xrθ作为参考坐标系，θ 的方向由y轴起始按逆时针方向旋转。在柱坐标系下，如图2 所示，用s表示叶剖面上的点到导边的弦向距离，c1表示叶剖面上导边至母线的距 离，xr表示叶剖面处的纵倾，θs表示剖面的侧斜角，yb、yf分别表示叶背、叶面上的点到弦线的距离。

图2 螺旋桨柱坐标系

则螺旋桨半径为r处的叶剖面上的点的坐标可表示为

柱坐标系与直角坐标系之间的转换关系符合式(2)：

因此，式(1)在坐标系o−xyz下的相应坐标为

2 螺旋桨空间坐标

本文螺旋桨空间坐标利用Fortran 语言进行编程，程序流程如图3 所示。

图3 空间坐标程序流程

以KP505 桨为研究对象，进行螺旋桨实体三维建模，主要螺旋桨参数如表1 所示。

表1 KP505 主要参数

具体建模步骤如下：

1)以txt 文本格式输入螺旋桨的几何参数，部分数据如图4 所示。

图4 螺旋桨几何参数

2)计算螺旋桨剖面面积、体积矩、惯性矩等宏观参数，部分程序如下：

3)计算螺旋桨几何参数，规范参数单位。部分程序如下：

4)网格划分，生成网格节点空间坐标，将数据输出，部分程序如下：

5)输出螺旋桨AutoCAD 图形，如图5 所示，观察桨叶网格的连续性，导边、随边坐标数据的封闭性以及螺旋桨的几何特征，以检验生成模型的正确性。

图5 AutoCAD 中KP505 桨模型

3 CAESES 中螺旋桨三维实体建模

由于生成的螺旋桨空间坐标txt 文件不符合CAESES 的输入文件格式，因此需将输出数据进行后处理，在此选用Excel 将空间坐标转换成如下形式：

本例中所设置的螺旋桨弦向、径向网格划分数目均为16，网格划分形式均采用半余弦分割，因此，共产生网格节点2 890 个，单个桨叶不同半径处叶背叶面均由17 个点通过插值曲线得到，处理后的数据可直接应用于CAESES 软件。

具体CAESES 中建立螺旋桨三维模型的过程如下：

1)导入Feature。Feature>New Definnition>General,Type Name 中输入KP505>Greate Function，输入二次处理后的数据>Apply>Close。

2)执 行Feature。Feature Definnition>KP505>Execute Definnition，命名为point_line>Execute。

3)建立单桨叶曲面。CAD>Scope，命名为blade>子空间内根据已生成的空间曲线执行LoftedSurface(介于两条或者多条任意曲线之间的曲面)和RuledSurface(介于两条任意曲线之间的直线曲面)命令生成s1、s2、s3，分别为螺旋桨压力面、吸力面、叶梢面。

4)运用Brep(主要用于曲面模型之间的布尔运算)命令建立单桨叶实体。CAD>Breps>Brep，将s1、s2、s3添加到Sources 中，重命名为single_propeller。

5) 运用Brep 命令建立完整桨叶实体。CAD>Breps>More>Periodic Brep，其中Geometry 中选择single_propeller，N=5，Rotation Axis 选择X轴，重命名为propeller_all，注意在运用Brep 命令过程中螺旋桨局部可能会产生变形，此时只需要稍微调小全局公差即可。

6)桨毂实体。与螺旋桨建模方法类似，这里不再赘述。

7)生成螺旋桨三维实体模型。CAD>Breps>Brep，命 名为Propeller 将propeller_all 和hub 添加到Source 中生成完整螺旋桨模型，如图6 所示。

图6 KP505 桨实体三维模型

4 螺旋桨水动力性能验证

为进一步验证建模方法的准确性，采用CFD方法对模型进行敞水性能计算，计算结果与试验数据做对比[13−14]。

本次计算参照的是2015 年东京船舶流体力学CFD 研讨会所提供的数据[15]，螺旋桨转速n=9.5 r/s，水的密度、运动黏度分为 ρ=999.1 kg/m3、υ=1.139×10−6m2/s。

计算域具体尺寸如图7 所示。在网格划分上，静止域选用切割体网格，旋转域选用切割体网格，边界层处采用棱柱层网格，棱柱层层数为8，棱柱层延伸取1.3，桨叶近壁面第一层网格无因次化厚度y+≤1。基础尺寸均取0.125 m，为提高计算精度，对桨毂、叶梢和桨后处进行局部加密，根据建立的计算域方向，设置速度进口、压力出口和对称平面，静止域与旋转域之间设置交界面，并禁用棱柱层网格，最终旋转域网格数约为365.8×104，静止域网格约为236.6×104，总网格数约为602.4×104，整个计算域的网格如图8 所示。

图7 计算域尺寸

图8 体网格

设置物理模型，其中湍流模型选用K-Omega湍流，采用旋转参考坐标系法，旋转速率为9.5 r/s，保持螺旋桨转速不变，通过改变进速VA求解不同进速系数下的推力系数、扭矩系数、效率，分别计算进速系数为0.2、0.4、0.5、0.7 和0.8 时的KT、10KQ、η0，敞水特性曲线如图9 所示。

图9 敞水特性曲线

仿真值与实验值对比如表2 所示。

表2 敞水特性对比

由表2 可知，推力系数、扭矩系数和效率的误差均小于5%，在误差允许范围内，因此，本文提出的基于CAESES 的建模方法是有效可行的。

5 结论

本文以Fortran 编程语言为主体，基于CAESES软件提出了一种螺旋桨建模方法。通过编程实现了螺旋桨桨叶参数到三维空间坐标的转换，后处理网格点坐标得到了符合CAESES 建模的输入文件，在CAESES 界面执行相应命令得到了螺旋桨实体模型，最后结合数值仿真，与试验结果作对比验证了建模方法的准确性。在建立不同的螺旋桨模型时，只需更改程序的输入文件即可，大大缩短了建模时间，提高了螺旋桨的生成效率。