2020/04/16

【技术】CAESES船用螺旋桨参数化建模浅析

前言

 

船用螺旋桨某种程度上作为旋转机械的一员，一直是CAESES优化的重要应用领域，用户可以通过CAESES灵活的对螺旋桨进行参数化控制，进而实现优化设计的目的。本文针对螺旋桨参数化方式做一个简单归类总结，希望对刚刚接触CAESES螺旋桨参数化的用户有所启发。



螺旋桨参数化

螺旋桨参数化一种核心方式是通过CAESES所特有的curve engine 与meta surface来构建，构建每个径向位置处（r/R）的叶片剖面，最终生成对应的三维螺旋桨曲面，总体思路可参考如下流程：

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围绕以上内容，螺旋桨参数化过程中可以有一些变化，相关内容分成几个方面：

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螺旋桨控制参数参考


影响螺旋桨性能的参数很多，就我们熟悉的参数主要分两类。

  • 控制每个径向位置r/R的叶片剖面形状的参数（NACA4DS为例）：

Chord弦长

Thickness厚度

Camber拱度

Max Camber Position最大拱度位置

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  • 控制每个径向位置剖面的空间位置的参数：

Pitch螺距

Skew侧斜

Rake纵斜

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二维叶片剖面形状定义


二维叶片剖面形状参数化定义可以采用多种方式实现；

1）CAESES内置了NACA4DS翼型，亦在feature中可以直接引用NACA4DS类型。

通过NACA4DS定义的话，参数一般为Chord弦长，Thickness厚度，Camber拱度，Max Camber Position最大拱度位置四个。

除了通过内置的NACA4DS曲线定义翼型，亦可以用户自定义，例如通过generic curve定义。这样就可以通过函数自定义剖面形式，以下例子是厚度分布的函数定义参考，这里最大厚度可以作为设计参数。

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2）此外CAESES中还内置多种NACA翼型，例如常用的NACA66等翼型，不过由于是封装内置，用户只能选择，在使用灵活度上有所缺失。

3）另外，如果已知剖面形状亦可以直接导入曲线信息，例如从文献或网上得知特殊NACA翼型，可以直接导入CAESES。（一般定义为弦长0~1的无量纲翼型，导入后可根据chord进行缩放）

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除了直接导入整个翼型，也可以分别导入中弧线和厚度分布，即分别导入camber line 和thickness distribution曲线，生成剖面形状。

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特征参数曲线的定义

 

在CAESES中，用来控制螺旋桨径向参数主要由特征参数曲线控制，通过调整特征参数曲线，曲线控制参数的分布规律，从根部到顶部，X坐标从0-1对应相对半径位置，Y坐标就是相应参数的具体数值，以实现控制螺旋桨几何的目的。下图是从0.2r到1.0r的控制曲线示例：

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螺旋桨叶片几何的生成


叶面几何的生成，可以通过generic blade的方式生成螺旋桨的几何，结合上述流程，再次总结

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也可以自定义各个r/R位置的二维叶剖面形状，同过空间转化（一般会用到cylinder transformation）将平面转换到圆柱面，变成三维曲线，最终使用lofted  surface功能生成螺旋桨叶片曲面。

 

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螺旋桨专属格式PFF

CAESES支持一种名为PFF的数据格式，通过PFF格式可以导入和导出螺旋桨文件。PFF格式已被船舶和螺旋桨设计公司以及船级社广泛使用。

导入后，CAESES中会自动生成对应的特征参数曲线，我们可以根据设计需要指定新的特征参数曲线，进而得到新的螺旋桨设计。

使用CAESES进行螺旋桨优化的一般步骤，如下参考：

 

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螺旋桨的几何逆向


1）Blade Analysis

CAESES中提供了自带的blade analysis功能，针对导入的螺旋桨几何进行自动的逆向分析，自动生成对应的参数化模型，用户可以基于生成的参数化模型进行进一步的分析优化工作。需要注意的是blade analysis中，使用NAC66作为默认的剖面形式，这样某种程度上限制了该工具的应用范围。

 

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2）螺旋桨逆向的定制化开发

由于不同用户各自桨型不同，产品开发的侧重点也不禁相同，所以没有一个很好的通用逆向工具可以实现所有用户的需要，用户可以根据本身桨型做针对性的逆向工具开发，这些应用已经在部分用户上取得了不错的效果。

 

 

总结

 

以上就是对螺旋桨CAESES参数化的一个简单总结与划分，用户可以选择对应合适的方式进行螺旋桨的参数化，希望可以对各位有所启发。