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船用推进器建模及数控仿真加工 焦龙海 摘 要：船用螺旋桨是一类典型的自由曲面零件，它的曲面形状和制造精度直接决定了船舶的推进效率和嗓音的大小，而加工方法的研究将有助于提高该类零件的加工精度和效率。传统的螺旋桨加工方法是通过普通铣床粗加工加上大量的人工修磨来完成的，此方法费时费力，且精度难以保证。随着数控技术的发展，目前的螺旋桨大多采用数控加工中心来制造，所用的刀具通常为球头刀或平头刀，但加工精度和效率仍然不够理想。如何充分发挥五坐标加工中心的潜能，采用非球头形式的刀具侧铣加工该类自由曲面，以提高螺旋桨的加工精度和效率，是当前数控加工的一个研究重点。 本论文在深入分析螺旋桨曲面成型原理的基础上，将设计时给定的桨叶曲面的切面数据转化为笛卡尔坐标系中的坐标，利用B样条方法对截面数据点插值并加密，得到足够的数据点，进而利用最小二乘法拟合出桨叶曲面，通过调整偏离权和光顺权得到了理想的二阶连续的桨叶曲面。针对圆柱体棒料毛坯，提出了采用类似型腔加工和逐点有哪些信誉好的足球投注网站的两种粗加工方法，前一种方法能精确地控制加工区域，同样可应用于精加工：后一种方法计算简单、易于编程。利用微分几何学知识，分析了螺旋桨桨叶曲面的局部特征，在研究圆柱刀二阶密切法规划刀位的基础上，探讨了圆锥刀和圆环刀的二阶密切刀位计算方法，采用二阶密切法规划刀位可以显著地提高加工精度。提出了基于二阶密切法的加工路径规划方法，采用该方法可以在保证精度的前提下使加工带宽明显增大。提高加工效率。充分利用UG、Vencut等软件的建模和仿真功能，对螺旋桨的曲面造型和数控加工方法的正确性进行了验证。 关键词：船用螺旋桨；路径规划；B样条拟合；加工仿真 一、研究船用螺旋桨的发展状况 船用螺旋桨是船用推进器中效率比较高，应用最广的一种，其主要功用是使船舶前进和后退，有时也协助船舶回转。船舶的性能主要取决于该船的船型、主发动机和螺旋桨三大因素。而螺旋桨的推进效率又主要取决于螺旋桨桨叶的设计与制造。螺旋桨通常由桨叶和桨毅两部分组成，而桨叶又分为叶面和叶背。叶面的中闻区域通常采用等螺距螺旋面或变螺距螺旋面设计，而导边和随边处则采用流线型设计；叶背则是根据不同半径处的切面厚度来决定的。因此，它的设计和制造相对于常规机械零件复杂得多。通常给出螺旋桨的设计数据后，首先要对螺旋桨造型，所涉及的就是自由曲面的造型问题。曲面造型的好坏，直接决定了其加工质量。而自由曲面的造型属于CAGD(计算机辅助几何设计)学科领域。当前曲面造型的主流方法之一就是B样条方法(basic spline)。 螺旋桨用材料从以前的随意材料演变到现在必须经过的特种试验技术,空泡腐蚀试验技术、腐蚀疲劳试验技术、整桨模拟试验技术的产生和发展,使得螺旋桨用材料的研究和应用研究更加完善。因为其材料要求力学性能高铸造性能优良耐海水腐蚀性、耐腐蚀疲劳性、耐空泡腐蚀性能优异,耐海生物污染能力强,同时应有良好的焊补性能,在某些场合下还要求材料具备高阻尼性能。 其设计大致可分为三个发展阶段：第一阶段为 19 世纪中叶，动量理论、叶元体理论的提出；第二阶段为 20 世纪 20 ~ 80 年代，升力线模型、升力面模型的提 出和发展；第三阶段为 20 世纪 80 年代至今，边界元法的应用、直接考虑流体粘性的研究。其加工由传统的通过普通铣床粗加工加上大量的人工修磨来完成的演变到现在由采用数控机床进行加工。但是现在也面临新的难题：数控机床生产厂家没有提供专门加工螺旋桨的软件包，从而使许多螺旋桨生产厂家不得不使用通用的CAD／CAM软件(如CATIA、CAMMAND、UGNX、Pro—E等)作为螺旋桨设计和加工编程平台。由于通用软件用于螺旋桨加工编程缺乏针对性，使用时工程人员工作量仍然很大；国外有专用螺旋桨CAD／CAM软件，但是，这些软件价格及其昂贵令大多数厂家难以承受。设计自主产权的螺旋桨专用软件是解决这些问题的最好办法。针对螺旋桨的曲面建模和数控仿形加工，国内外学者进行了大量的研究。 各种螺旋桨理论相互联系，螺旋桨理论本质上是流－固相互作用问题，核心是作用力的分析求解。随着计算机技术和计算流体力学的发展。螺旋桨理论研究的发展方向是和流体力学学科发展的联系越来越紧密，建立更为严密的理论体系和获取更精确的解现代船用螺旋桨的设计研究方向是在实际设计中直接采用面元法 ，RANSE 和其它相关方法来解决除推进效率之外的螺旋桨空泡、剥蚀、振动和噪声等问题。这些方法离不开计算机软件的开发和应用船用螺旋桨的设计研究还有大量问题需要解决，如从力学模型、二相流算法等方面寻找更精确的计算流体动力学方法探索更合理有效的理论方法，解决考虑船体影响的CFD问题，进一步考虑波浪对船舶推进影响，解决实践中的各种难题、新问题，比如吊舱式推进装置的设计，设计要考虑加工技术的发展