摘 要

螺旋桨作为船用推进器中应用最广泛的一种推进器，已有数百年的历史。纵观螺旋桨的发展史，螺旋桨对于船舶的推进方面起着极为重要的作用，在现在这个科技迅速发展的年代，人们使用传统的手工图谱法计算螺旋桨要素和绘制螺旋桨的方式已经过时了，而目前计算机辅助设计制造(CAD/CAM)已经在众多领域中被广泛应用，在螺旋桨设计这个领域也不例外。而在学习过螺旋桨模型的敞水试验后，我们已经知道对于几何相似的螺旋桨来说，其水动力性能只与进速系数J有关，所以本文研究设计了一个关于B型螺旋桨图谱的螺旋桨计算机辅助设计工具，它可以有效的完成包括初步设计，终结设计从而得到敞水性征曲线的工作。设计的程序主要是使用C#语言在计算机上采用参数化，模块化的设计，使用者可以灵活的输入图谱参数来得到目标螺旋桨参数，同时界面简洁明了，不需要使用者对专业知识完全掌握也可以使用，而且相对与传统手工图谱法，可以较为高效的完成螺旋桨设计。

关键词：螺旋桨设计、计算机辅助螺旋桨设计、最优化设计、螺旋桨终结设计

一、绪论

1.1 研究背景与意义

螺旋桨推进器，从发明出来发展至今已有近200年的历史，虽然也出现了诸如喷水推进、特种推进器等其他新型推进器，但是在船舶与海工装备领域的推进系统方面螺旋桨推进器仍然处于主导地位，并且推进装置在实际建造时上，多数新型推进器的的设计主体还是离不开桨叶，包括桨叶表达形式、敞水试验方法以及相关设计参数等部分与普通螺旋桨无显著差异。我们都知道通过螺旋桨的设计得到的螺旋桨要素直接影响到船舶的快速性，进而间接改变其经济效益与环保指数，所以，螺旋桨设计对船舶设计工作来说是一个重要组成部分。因此研究螺旋桨设计技术的成果对于船舶推进以及船舶设计技术的发展创新有重要意义。

螺旋桨设计是根据设计任务书对船速的要求基于其有效马力曲线(通常由有效马力估算或船模阻力试验得到)设计一个拥有最佳效率的螺旋桨，以使船舶在给定的航速下使主机马力消耗最小;或者给定一个主机条件，设计一个在该条件下使得船舶能达到最高航速的螺旋桨。通常我们将前者称为螺旋桨的初步设计，将后者称为终结设计，其目标都是要达成船体-主机-螺旋桨三者的相互匹配。一般在船舶设计中，船舶设计师先完成船体型线的初步设计并得出设计船舶的有效马力曲线，再根据船舶的设计任务书中对船速的要求来选定相应的主机。在实际造船过程中或进行旧船螺旋桨更换时，我们需要考虑到船舶的制造成本、时间成本以及质量可靠性等问题，所以在新船的设计建造时常常会选用现有的标准型号主机。而通常船用螺旋桨的终结设计部分就是在确定主机马力Ps与转速N后求得螺旋桨的最佳要素以及螺旋桨相应能达到的最大航速Vmax。

目前船用螺旋桨的设计方法主要包括两种:图谱设计法和环流理论设计法。图谱设计法是根据系列螺旋桨模型敞水试验结果所绘制而成的专用的各类图谱来进行螺旋桨设计，已经形成了成套的基于Bp-δ型图谱或K-J型图谱的设计步骤与方法,即列表、计算、插值、绘图。运用该方法在选择合适的图谱时一般能得到良好有效的设计效果，在目前是应用较为广泛的一种设计方法。而环流理论设计方法则是根据环流理论主要应用了升力面理论、螺旋桨升力线等势流理论和各种桨叶切面的试验以及理论数据来进行螺旋桨设计，即先将目标负荷在一定条件下沿桨叶径向分布到数个切面上,再依照空泡校核与强度校核的要求使得负荷满足向每个切面的弦向分布，然后再去选择出最佳的切面。近年年来也出现了基于RANS(Reynolds Averaged --Stokes)粘性流方程的CFD (Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)方法。但是运用该方法在计算步骤方面繁琐重复，这就对设计人员的专业水平有较高要求，而且其工艺处理程序也相对比较复杂，所以该方法在中小船厂应用相对较少，而在大吨位、大功率船及军船上运用较多。目前为了显著有效减少在传统图谱设计螺旋桨的时进行手工绘图，列表计算等繁琐复杂的过程，使用计算机辅助船舶完成螺旋桨自动化设计是有重要意义的。

1.1.2目的和意义

随着计算机图形学、外围设备性能和交互技术的迅速发展，CAD技术（Computer Aided Design，计算机辅助设计）已经与多数行业的工程技术进行了有效的结合，在提高生产效率、提升工程效益与降低时间和人工成本等方面发挥着重要作用。而且CAD可以直接衔接绑定CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程分析），所以在完成性能与可靠性分析之后，还能进行优化设计。所以常常把CAE定义在CAD里面，故本文接下来CAD含义里面包含了CAE。一般在产品制造的过程中到最后要通过CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺设计）和引导CAM（Computer Aided Manufacturing， 计算机辅助制造）来完成生产计划、工艺设计和物流规划等活动。因此CAD技术是现代工业制造及产品研发设计方面的核心技术。

在船舶工业领域，CAD技术已经从以２Ｄ单机绘图为主发展到如今以三维设计为基础，总体上处于CAD／CAM技术发展的第四个阶段，即产品信息模型PDM/ERP的集成。从９０年代到今天，大多数世界先进造船国家将造船过程中的信息管理与集成制造（多称为CIIM、CIMS）以及船舶的虚拟设计与制造仿真设计作为重大发展目标，这也是为了开发出连续搜集造船数据与全生命周期支持的体系。造船的信息化水平与其内涵对于改善作业环境、提高生产效率和降低物料成本等方面有极其重要的作用，同时也是衡量一个国家造船综合实力的重要指标之一，所以用计算机辅助船舶完成螺旋桨自动化设计可以在很大程度上提高设计螺旋桨的精度和效率。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 计算机用于船舶辅助设计的研究现状

在传统工业制造中，各行业的设计制造都不简单，而船舶行业里的船舶设计尤为复杂，和大多数工业的制造过程一样，船舶的设计过程中离不开大量的设计图纸和海量的重复计算，但就船舶的设计过程来说，因为船舶是不同于汽车飞机的拥有上万吨重量的庞然大物，其需要专业知识和各种各样的技术，就连研究人员，工人和物资的需求量都不是其他行业可以比拟的，在这样的背景下，电子计算机应运而生，凭借着远超人工的每秒数十万甚至上百万次的运算还有使用方便的存取记忆功能，各行各业的电子计算机化的潮流无法避免，船舶工业就是其中的先行者，从此，船舶行业发展迅猛。

在计算机辅助设计的早期，因为受计算机硬件水平等的影响，只能局限于单项的数控切割、设计计算和绘图等方面的应用。1963年，挪威开发了最早的造船集成系统AVTOKON，后来英国(BRITSHIPS) 、瑞典(TRIBON)、西班牙(FORAN) 、美国(SPADES)、日本(HICASSHIPS)等都相继开发出拥有各自特色的系统,这显著提高了计算机系统的功能和效率，也缩短了船舶设计建造周期并提高了造船质量。其中以瑞典KCS（ Computer System AB）公司的TRIBON和西班牙SENER工程系统公司的F0RAN为首的集成系统处于现代集成化解决方案系统的顶端，其专业性也最强，覆盖了包括船舶建造设计、舾装、涂装和管理及维护的全过程。随着国家进步，科技和经济的发展，计算机的硬件和软件方面都取得了十足的进展，这也让 CAD技术（Computer Aided Design，计算机辅助设计）得以被广泛推广，因此过去只有大型船厂才能买的起CAD系统的现象不复存在，还有从原来的CAD系统只能在大型计算机上运行发展到后来的在小型计算机上配备了专门进行辅助设计工作的图形终端而成的CAD工作站，后来随着数学放样(船体型线放样；船体结构放样；外板展开；零件图形生成与处理)、数控弯板（水火弯板）、数控切割(龙门式数控切割机)等船舶建造工艺诞生，CAD系统也在不断被改进，从一开始的被宽泛使用变成各行各业的专用CAD。

在螺旋桨计算机辅助设计（CAD）发展上，国外方面，比如日本从1973年开始采用CAD技术，并经历了从中型通用计算机--开发图形处理系统--用小型计算机开发各种CAD系统—完善CAD系统并联网—建立拥有集成系统的工程数据库的发展过程，又或者美国，拥有公司的系列（该软件拥有螺旋桨几何建模，2D图自动制备和3D视图等功能）、、泰勒水池的螺旋桨优化设计集成系统、AMI公司的和等市面产品，这些软件主要用来解决螺旋桨的设计与船、机、桨匹配以及生产制造等问题，当然也有诸如始于MIT（现属Dartmouth College）的类开源程序。

国内方面，早期有运输部系统的郭永崧，董国祥等人利用编程了一个能计算螺旋桨性能、设计螺旋桨参数的动态链接库（Dynamic Link Library）作为程序内核，然后以Visual Basic实现窗体界面，完成了一个螺旋桨理论设计。长江船舶设计设计院的史一鸣等人完成了一个能够进行阻力计算、图谱计算与螺旋桨设计与绘图的软件。还有天津大学的的张泽胜等对图谱的单元函数回归与螺旋桨设计方法进行了论述，尽管原文只针对简易导管螺旋桨但是其理论能延申到系列螺旋桨的设计计算。武汉交通科技大学的周瑞平等做了一个海船主推进装置设计的软件研究，该软件能够实现螺旋桨最优设计以及最佳工况匹配Ｍ。此外，中国船舶及海洋工程设计院的王宁等人还尝试在工作站平台的应用程序接口上，编写能实现“TroostＢ－4、5”与“MAU－４、５、６”（数字代表叶数）两种系列螺旋桨的设计计算的程序。在近年来多学科融合浪潮下，University of Cyprus的、等，哈尔滨工程大学的冯峰、黄胜等，还有中国船舶科学研究中心的曾志波、丁恩宝、唐登海等人先后将人工神经网络、遗传算法等理论运用到螺旋桨图谱设计与优化中，在省时省力的情况下得到了一定精度的设计成果。总体上功能最完善的是大连理工大学船舶工程学院船舶CAD工程中心与中国船级社大连分社的彭义建、林焰、陈明等开发的螺旋桨图谱设计数据库软件，该设计平台涵盖了回归公式估算主机功率、终结设计、轴承轴强度验算等功能。

1.2.2 智能优化设计技术等在船舶辅助设计中的应用

CAD技术在船用螺旋桨设计方面并非一个单独的技术类别，其研发及应用都是类属于船舶CAD技术或者与其相关。在螺旋桨CAD技术成果的具体应用上，螺旋桨设计在市场上大都是独立软件，也有经过集成或者由第三方通过二次开发来转到船舶CAD系统中的。因为市面上的这些软件大都有着适用范围有限、定价较高或要求设计者有较高专业技能的缺点，所以在船舶与海工领域这些软件并没有广泛地被使用。这些年来，也有很多研究人员针对图谱设计法和环流理论法来研究设计并开发一些程序算法和功能模块，但由于这些程序算法和功能模块功能有局限性，共享程度也不高，对实际的船舶设计建造生产工作影响不够大，使其没能够被广泛流传。总体来看螺旋桨CAD技术可以归属到船舶CAD系统中去，螺旋桨CAD技术是一门学科复合型、知识密集型技术，同时也是实现船舶工业由“传统手工制造”转变为“现代计算机智能制造”的关键点。因此，应用目前螺旋桨设计技术，研发出符合我国船舶行业设计思想与习惯同时适用范围广、使用方便、功能完善、适用性强的CAD软件，对当前中国的船舶行业具有一定意义。

1.3 论文完成的主要工作及组织结构

①介绍了螺旋桨的发展历史和CAD/CAM的发展近况。

②为B型图谱桨自动化设计提供构建螺旋桨模块，并给出详细设计方案。

③介绍了B型图谱桨自动化设计的系统总体架构。

④分别介绍了B型图谱桨自动化设计系统模块的设计原理。

⑤给出B型图谱桨自动化设计程序功能和界面的详细介绍。

⑥对全文进行总结，找出不足并作出展望。

二、B型图谱桨自动优化设计方案

2.1 总体自动化生成方案

常规的图谱设计方法的一般步骤是：

①给定船体的主要参数和主机参数

②决定推进因子，计算得到收到马力和船身效率

③假定设计航速有效马力的计算：通过假定一系列航速，算出相应的进速，得到相应的Bp,再从Bp图谱上得到不同型号螺旋桨在各个假定航速下的有效推马力，然后通过上述数据绘制出有效推马力关于航速的曲线，最后在图中有效马力曲线和有效推马力曲线的交点处作垂线，会与航速的坐标轴产生交点，这样各个型号的螺旋桨就会对应一个航速，相应就可以得到各个型号螺旋桨在对应航速下的一些桨的要素，包括螺距比，螺旋桨直径，敞水效率。

④根据柏利尔商船界限线进行空泡校核计算，通过空泡校核计算我们可以得到不发生空泡的最小盘面比和相应的最佳螺旋桨要素，包括螺旋桨型号、螺旋桨直径、转速、对应的航速、螺距比和敞水效率。

⑤进行强度校核，根据2001年《钢制海船入籍建造规范》校核0.25和0.6半径处的叶片厚度应不小于由公式得到的叶片厚度，完成这步后要确定设计的螺旋桨各切面的厚度

⑥进行螺距修正和重量及惯性矩的计算

⑦以上都完成后，根据要求设计螺旋桨的螺距比，从相邻螺距比的敞水性征曲线插值得到设计螺旋桨的敞水性征曲线，由这个曲线可以进行系柱特性计算：在进速系数J=0时，对应的KT、KQ值，螺旋桨收到功率,再由这些数据计算得到主机转矩、系柱推力和螺旋桨转速

⑧螺旋桨计算总结，将上述计算得到的螺旋桨参数列表