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摘要：船舶螺旋桨桨叶叶面是非规则的曲面，简便的由二维平面图转为三维螺旋桨模型方法是十分必要的，通过生成的三维模型可以继续进行螺旋桨的水动力性能分析优化。CATIA软件是非常先进的三维设计软件，可参数化，精确度高，可应用于螺旋桨的三维设计。
关键词：船舶螺旋桨；三维设计；CATIA
引言：
螺旋桨推进是船舶的主要推进形式之一，螺旋桨的设计及优化是螺旋桨水动力性能的关键。但是一般设计螺旋桨基于桨叶各半径的切面特征来做二维图纸，通过二维图纸再对螺旋桨进行数控加工等，这样如果螺旋桨的性能不能满足设计要求需要重新设计，反复进行图纸更新及螺旋桨数控加工工作，造成人力、物力的浪费。如果可以通过桨叶各半径的切面特征来做三维设计，再对三维模型进行有限元分析等方法进行反复优化设计来使其满足设计要求，最后只需要一次性数控加工即可得到性能优良的螺旋桨，那么将很大程度上节约人力、物力成本。
1螺旋桨主要要素
1.1直径
螺旋桨最佳直径与主机功率及螺旋桨转速有关。一般螺旋桨的直径越大，转速越低其效率越高，但是直径过大可能带来桨叶盘面处的伴流减小，降低船身效率，导致推进效率降低。同时螺旋桨直径的确定还要兼顾船舶吃水、螺旋桨桨梢距船底板间隙等因素。
1.2螺距
螺距分布及大小对螺旋桨推力、效率、空泡、振动、噪声等有着重要的影响。
1.3盘面比
盘面比大小主要表示桨叶的宽窄程度，在相同叶数下，盘面比越大，桨叶越宽。
1.4推力
查Ka螺旋桨图谱，同时根据水密度、螺旋桨转速、螺旋桨直径等参数来算出螺旋桨的推力。
1.5设计桨参数确定
本文Ka桨为根据设计要求，在给定的初始条件（主机功率、齿轮箱减速比、各部分传递效率等）及螺旋桨强度、空泡校核满足要求的情况下，确定的螺旋桨最佳特征参数：
直径：818mm
螺距比：0.95（等螺距）
叶数：4叶
推力：5465.92kgf（桨进速10kn）
2螺旋桨桨叶二维展开图绘制及整理
2.1根据Ka系列桨的切面尺度和厚度分布，在确定螺旋桨直径情况下绘制螺旋桨各半径切面的二维CAD展开图。
2.2各半径处展开面以各半径水平线与中心线交点为旋转点，按照旋转角度为各半径处的螺距角旋转。
3三维建模
3.1桨叶定位
将螺旋桨桨叶从二维各半径剖面变换到三维曲线时，需要定位好桨叶理论线位置。理论线在模型中为Z向位置与螺旋桨轴线所在XY面垂直，位置定义好以后，需要将2.2步骤的各剖面线旋转点同时移至理论线末端点O点。直线K为桨叶各剖面的径向理论线。L线为螺旋桨轴线。见图1
3.2各半径桨叶剖面的展开
桨叶各剖面展开图为实际桨叶与各半径圆柱面的交线，故采用逆向展开来进行桨叶剖面在各半径圆柱面上的展开。
以螺旋桨轴线L为轴，建立各半径的圆柱面，各半径圆柱面与理论线K交点即为在各半径圆柱面展开时的曲面上原点，以此将剖面线以各半径圆柱面为支持面进行展开。
3.3精确性验证
将各半径剖面在各圆柱面展开后，可以在CATIA曲面上对曲线的长度进行测量，同时对CAD中展开曲线进行测量对比。也可以将各各圆柱面上展开的剖面最大厚度线长度与CAD中剖面最大厚度数值进行对比，以此校核得到更精准的螺旋桨桨叶各剖面展开曲线。
3.4桨叶叶面的建立
通过各展开面的外轮廓点，采用样条曲线进行连接，生成外轮廓线。最后通过CATIA的多截面曲面功能生成螺旋桨桨叶曲面。见图2
3.5螺旋桨桨叶完成以后，将桨叶旋转生成4叶桨，并且对桨毂建模，最后通过CATIA零件模块生成实体模型。见图3
4螺旋桨推力计算校核
CATIA装配好整个导管桨后，将模型导入FLUENT软件来计算螺旋桨推力，并与图谱法计算得到的螺旋桨推力进行比较分析。见图4
通过FLUENT软件计算，螺旋桨进速在10kn情况下的推力为5246.10kgf，与理论计算值5465.92kgf误差百分比为，经比较与螺旋桨设计理论值非常接近。
5结论
（1）螺旋桨的初始理论设计需要多方面考虑螺旋桨的特征要素，不能僅从单一的设计要求出发，平衡设计要求中的要素，设计出具有最佳特征要素的螺旋桨，同时可以螺旋桨三维建模进行水动力分析进行后期优化。
（2）基于CATIA软件的螺旋桨三维设计在实际工作中可以得到比较准确的螺旋桨外形特征，并且可以通过导入其它软件进行螺旋桨水动力计算分析。同时可以通过软件的计算结果与设计理论值进行比较，反向发现理论设计中的缺陷。
（3）在螺旋桨的三维设计中，可参数化的螺旋桨三维模型可以适当应用，来缩减工作周期，提高工作效率，可能是未来螺旋桨设计的一个趋势。
（4）本文计算结果的分析讨论粗浅，需要通过大量的计算来验证软件计算结果的可靠性。文中只是提供一个可能应用的计算螺旋桨水动力分析的方式。
参考文献：
[1]王国强，盛振邦.船舶推进[M].北京：国防工业出版社，1985.
[2]CATIA软件使用手册[M]
[3]冯学梅， 陈凤明， 蔡荣泉. 使用Fluent软件的螺旋桨敞水性能计算和考察[J]. 船舶， 2006， 10（1）：14-19.
关键词：船舶螺旋桨；三维设计；CATIA
引言：
螺旋桨推进是船舶的主要推进形式之一，螺旋桨的设计及优化是螺旋桨水动力性能的关键。但是一般设计螺旋桨基于桨叶各半径的切面特征来做二维图纸，通过二维图纸再对螺旋桨进行数控加工等，这样如果螺旋桨的性能不能满足设计要求需要重新设计，反复进行图纸更新及螺旋桨数控加工工作，造成人力、物力的浪费。如果可以通过桨叶各半径的切面特征来做三维设计，再对三维模型进行有限元分析等方法进行反复优化设计来使其满足设计要求，最后只需要一次性数控加工即可得到性能优良的螺旋桨，那么将很大程度上节约人力、物力成本。
1螺旋桨主要要素
1.1直径
螺旋桨最佳直径与主机功率及螺旋桨转速有关。一般螺旋桨的直径越大，转速越低其效率越高，但是直径过大可能带来桨叶盘面处的伴流减小，降低船身效率，导致推进效率降低。同时螺旋桨直径的确定还要兼顾船舶吃水、螺旋桨桨梢距船底板间隙等因素。
1.2螺距
螺距分布及大小对螺旋桨推力、效率、空泡、振动、噪声等有着重要的影响。
1.3盘面比
盘面比大小主要表示桨叶的宽窄程度，在相同叶数下，盘面比越大，桨叶越宽。
1.4推力
查Ka螺旋桨图谱，同时根据水密度、螺旋桨转速、螺旋桨直径等参数来算出螺旋桨的推力。
1.5设计桨参数确定
本文Ka桨为根据设计要求，在给定的初始条件（主机功率、齿轮箱减速比、各部分传递效率等）及螺旋桨强度、空泡校核满足要求的情况下，确定的螺旋桨最佳特征参数：
直径：818mm
螺距比：0.95（等螺距）
叶数：4叶
推力：5465.92kgf（桨进速10kn）
2螺旋桨桨叶二维展开图绘制及整理
2.1根据Ka系列桨的切面尺度和厚度分布，在确定螺旋桨直径情况下绘制螺旋桨各半径切面的二维CAD展开图。
2.2各半径处展开面以各半径水平线与中心线交点为旋转点，按照旋转角度为各半径处的螺距角旋转。
3三维建模
3.1桨叶定位
将螺旋桨桨叶从二维各半径剖面变换到三维曲线时，需要定位好桨叶理论线位置。理论线在模型中为Z向位置与螺旋桨轴线所在XY面垂直，位置定义好以后，需要将2.2步骤的各剖面线旋转点同时移至理论线末端点O点。直线K为桨叶各剖面的径向理论线。L线为螺旋桨轴线。见图1
3.2各半径桨叶剖面的展开
桨叶各剖面展开图为实际桨叶与各半径圆柱面的交线，故采用逆向展开来进行桨叶剖面在各半径圆柱面上的展开。
以螺旋桨轴线L为轴，建立各半径的圆柱面，各半径圆柱面与理论线K交点即为在各半径圆柱面展开时的曲面上原点，以此将剖面线以各半径圆柱面为支持面进行展开。
3.3精确性验证
将各半径剖面在各圆柱面展开后，可以在CATIA曲面上对曲线的长度进行测量，同时对CAD中展开曲线进行测量对比。也可以将各各圆柱面上展开的剖面最大厚度线长度与CAD中剖面最大厚度数值进行对比，以此校核得到更精准的螺旋桨桨叶各剖面展开曲线。
3.4桨叶叶面的建立
通过各展开面的外轮廓点，采用样条曲线进行连接，生成外轮廓线。最后通过CATIA的多截面曲面功能生成螺旋桨桨叶曲面。见图2
3.5螺旋桨桨叶完成以后，将桨叶旋转生成4叶桨，并且对桨毂建模，最后通过CATIA零件模块生成实体模型。见图3
4螺旋桨推力计算校核
CATIA装配好整个导管桨后，将模型导入FLUENT软件来计算螺旋桨推力，并与图谱法计算得到的螺旋桨推力进行比较分析。见图4
通过FLUENT软件计算，螺旋桨进速在10kn情况下的推力为5246.10kgf，与理论计算值5465.92kgf误差百分比为，经比较与螺旋桨设计理论值非常接近。
5结论
（1）螺旋桨的初始理论设计需要多方面考虑螺旋桨的特征要素，不能僅从单一的设计要求出发，平衡设计要求中的要素，设计出具有最佳特征要素的螺旋桨，同时可以螺旋桨三维建模进行水动力分析进行后期优化。
（2）基于CATIA软件的螺旋桨三维设计在实际工作中可以得到比较准确的螺旋桨外形特征，并且可以通过导入其它软件进行螺旋桨水动力计算分析。同时可以通过软件的计算结果与设计理论值进行比较，反向发现理论设计中的缺陷。
（3）在螺旋桨的三维设计中，可参数化的螺旋桨三维模型可以适当应用，来缩减工作周期，提高工作效率，可能是未来螺旋桨设计的一个趋势。
（4）本文计算结果的分析讨论粗浅，需要通过大量的计算来验证软件计算结果的可靠性。文中只是提供一个可能应用的计算螺旋桨水动力分析的方式。
参考文献：
[1]王国强，盛振邦.船舶推进[M].北京：国防工业出版社，1985.
[2]CATIA软件使用手册[M]
[3]冯学梅， 陈凤明， 蔡荣泉. 使用Fluent软件的螺旋桨敞水性能计算和考察[J]. 船舶， 2006， 10（1）：14-19.