帶船艉導(dǎo)管螺旋槳的非定常水動(dòng)力模擬

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 帶船艉導(dǎo)管螺旋槳的 </p><p>　　非定常水動(dòng)力模擬 </p><p>　　專 業(yè) 船舶與海洋工程 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 111320110 &l

2、t;/p><p>　　學(xué) 生 劉 雙 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 周軍偉 </p><p>　　答 辯 日 期 2015.6.29 </p><p><b>　　摘 要</b></p><

3、;p>　　導(dǎo)管螺旋槳作為一種特種的推進(jìn)器，與普通的螺旋槳相比具有效率高，推力大等優(yōu)點(diǎn)，因此深受國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者的青睞，尤其是船槳干擾問(wèn)題更是很多人在研究。目前對(duì)船體與導(dǎo)管螺旋槳的大部分研究是在試驗(yàn)中設(shè)置一個(gè)鋼絲網(wǎng)幕，通過(guò)改變鋼絲的密度來(lái)調(diào)整伴流，然后通過(guò)給定速度的方法來(lái)改變伴流從而進(jìn)行模擬，但是伴流本身在各個(gè)位置的速度是不同的，所以螺旋槳不能離船后太近，這樣比較難以調(diào)節(jié)，而且又不能離得太遠(yuǎn)，這樣計(jì)算誤差又會(huì)比較大，所以這種方式有其

4、缺陷。本文采用數(shù)值模擬的方法，建立船體模擬，將船體與螺旋槳一起進(jìn)行模擬，分析不同進(jìn)速時(shí)，導(dǎo)管螺旋槳在船艉部分產(chǎn)生的伴流下的水動(dòng)力性能，并得到其壓力、扭矩曲線，對(duì)其非定常性能進(jìn)行分析。</p><p>　　本文主要工作內(nèi)容是先采用Rhino軟件對(duì)船體尾部部分以及外部的流域進(jìn)行了三維建模，之后用AutoGrid軟件對(duì)螺旋槳進(jìn)行了建模，建模完成后將導(dǎo)管螺旋槳以及船艉模型進(jìn)行了尺寸的配合，之后使用Pointwise軟件對(duì)

5、所建成的模型進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分，然后通過(guò)CFD軟件Ansys CFX給定邊界條件和設(shè)計(jì)工況，進(jìn)行了對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的模擬分析，改變進(jìn)口流速，研究了導(dǎo)管螺旋槳的非定常性能，顯示了螺旋槳所受到的非定常力，并分析船體尾部所產(chǎn)生的伴流對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的影響。</p><p>　　關(guān)鍵詞：導(dǎo)管螺旋槳；船尾伴流；三維建模；劃分網(wǎng)格；數(shù)值模擬</p><p><b>　　Abstract</b>

6、;</p><p>　　As a special propeller, the duct propeller has more efficiency and thrust when comparing with the ordinary propeller,so it is favored by domestic and foreign research scholars,especially the probl

7、em of paddle interference,In the present,most of the researches of the interference of duct propeller and boat is setting a wire mesh screen ,adjusting the flow by changing the density of the steel wire.Then,doing the nu

8、merical simulation by giving a velocity,but the speed of the flow is different,so th</p><p>　　The main content in this paper is using Rhino software to build a 3D model of the stern and the external basin,us

9、ing AutoGrid software to build the model of propeller,then there is a match of the size between the two models.After that,I used Pointwise software to do the grid dividing of these models.And doing the simulation analysi

10、s of the whole flow field by setting boundary conditions and design conditions through Ansys CFX,getting the unsteady force of the duct propeller with some different i</p><p>　　Keywords：duct propeller，stern

11、companion shed，three-dimensional modeling，grid dividing，numerical simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

12、;p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 研究目的及意義3</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4 本文的主要研究工作4</p><p>　　第2章 船體模型的建立5</p><p>　　

13、2.1 基于Rhino的建模方法5</p><p>　　2.2 模型建立過(guò)程7</p><p>　　2.2.1 型線部分建立7</p><p>　　2.2.2 船體曲面到實(shí)體的建立11</p><p>　　2.3 本章小結(jié)22</p><p>　　第3章 船槳模擬前處理23</p><p

14、>　　3.1 船槳尺寸配合以及外流域建立23</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)子網(wǎng)格的建立26</p><p>　　3.2.1 轉(zhuǎn)子模型的導(dǎo)入26</p><p>　　3.2.2 導(dǎo)管內(nèi)壁的導(dǎo)入26</p><p>　　3.2.3 網(wǎng)格的生成29</p><p>　　3.3 船體網(wǎng)格劃分32</p

15、><p>　　3.4 網(wǎng)格調(diào)整40</p><p>　　3.4.1邊界層理論40</p><p>　　3.4.2 網(wǎng)格調(diào)整41</p><p>　　3.5 本章小結(jié)44</p><p>　　第4章 帶船尾導(dǎo)管槳的水動(dòng)力模擬45</p><p>　　4.1 CFD簡(jiǎn)介45</p>

16、;<p>　　4.2 CFX軟件設(shè)置47</p><p>　　4.2.1 旋轉(zhuǎn)域中的設(shè)置47</p><p>　　4.2.2 靜止域中的設(shè)置48</p><p>　　4.3 計(jì)算的設(shè)置49</p><p>　　4.3.1 定常計(jì)算設(shè)置49</p><p>　　4.3.2 非定常計(jì)算設(shè)置50&l

17、t;/p><p>　　4.4 CFX計(jì)算結(jié)果與分析51</p><p>　　4.4.1 壓力特性分析51</p><p>　　4.4.2 船尾部流場(chǎng)分析53</p><p>　　4.4.3 船對(duì)螺旋槳敞水性能的影響56</p><p>　　4.5 本章小結(jié)59</p><p><b&

18、gt;　　結(jié) 論60</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)61</b></p><p><b>　　致 謝62</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b>

19、</p><p>　　船舶在水面或水中航行時(shí)遭受阻力，為了克服其所受的阻力，必須供給船舶一定的推力以克服其所受的阻力，從而使船舶保持一定的速度向前航行。作用在船上的推力是依靠能源來(lái)產(chǎn)生的，但能源不能直接產(chǎn)生推力，故必須在船上裝有專門的裝置或機(jī)構(gòu)，這種把能源發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換為船舶前進(jìn)所需要的功率的裝置或機(jī)構(gòu)稱為推進(jìn)器，螺旋槳是目前使用最廣泛的船舶推進(jìn)器[1]。因此，螺旋槳的水動(dòng)力性能是船舶設(shè)計(jì)者非常關(guān)心和重視的問(wèn)題。

20、</p><p>　　導(dǎo)管螺旋槳（圖1-1）作為一種特種推進(jìn)器，與普通螺旋槳相比在重載荷工況下導(dǎo)管螺旋槳的推力大，故經(jīng)常用于拖船、漁船、大型運(yùn)輸船等載荷較大的船舶。導(dǎo)管螺旋槳中的導(dǎo)管可保證有定向的水流供給螺旋槳，起整流作用，減小尾流收縮，尾流能量損耗減小，從而提高螺旋槳效率,此外導(dǎo)管可改善船舶在風(fēng)浪中航行的穩(wěn)定性，抑制船舶的縱搖，起阻尼作用。導(dǎo)管圍在螺旋槳的外面起保護(hù)作用，螺旋槳不易露出水面產(chǎn)生空吸現(xiàn)象，并可免受

21、外物碰壞發(fā)生事故[2]。</p><p>　　圖1-1 導(dǎo)管螺旋槳</p><p>　　圖1-2為各種船用推進(jìn)器的最佳效率對(duì)比，圖的上方還有各類船舶的Bp的大致范圍。從圖中可以看出，當(dāng)Bp值約為25時(shí)，導(dǎo)管螺旋槳開(kāi)始顯示出其優(yōu)越性，載荷越高，效率上的收益越大。近代大型游船的Bp值一般在40以上，采用導(dǎo)管螺旋槳能使效率有明顯的提高。至于漁船及拖船，其Bp值分別在60及100以上，導(dǎo)管螺旋槳的

22、效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通螺旋槳，故在這類船上采用導(dǎo)管螺旋槳的優(yōu)越性是毫無(wú)疑問(wèn)的。</p><p>　　圖1-2 各類推進(jìn)器效率</p><p>　　螺旋槳在船后工作，螺旋槳和船體是一個(gè)系統(tǒng)，螺旋槳和船體之間必然有相互作用，這種相互作用表現(xiàn)為船體所形成的速度場(chǎng)和螺旋槳所形成的速度場(chǎng)之間的相互影響。目前仍采用近似的的方法,分別研究船體和螺旋槳的單獨(dú)性能，然后再近似地考慮兩者之間的相互影響。船后伴流場(chǎng)（

23、圖1-3）對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能影響是人們比較關(guān)心的問(wèn)題[3]。 </p><p>　　圖1-3 船尾伴流示意</p><p>　　所謂伴流就是當(dāng)船舶在水中以某一速度向前航行時(shí)，船舶附近的水受到船體的影響而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在船體周圍產(chǎn)生的一股水流。由于船舶伴流場(chǎng)的存在，對(duì)船后螺旋槳的效率、空泡、噪音及激振力起著十分重要的作用。船后伴流場(chǎng)的計(jì)算對(duì)螺旋槳的設(shè)計(jì)不但有重要的理論價(jià)值，而且還有重大的現(xiàn)實(shí)意

24、義[4]。</p><p>　　1.2 研究目的及意義</p><p>　　導(dǎo)管螺旋槳相比于傳統(tǒng)的螺旋槳具有更大的推力和更低的噪音，因而目前在民船上的應(yīng)用越來(lái)越多。為了評(píng)估導(dǎo)管槳的噪聲水平，可以采用數(shù)值模擬的方法得到導(dǎo)管槳的聲場(chǎng)，而前提是得到導(dǎo)管槳的的非定常流場(chǎng)。實(shí)船中導(dǎo)管槳的流場(chǎng)受船體尾流的影響明顯，因而本課題將對(duì)帶船艉的導(dǎo)管槳的非定常流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。</p><p

25、>　　通過(guò)對(duì)導(dǎo)管螺旋槳在船尾所產(chǎn)生的伴流下的水動(dòng)力模擬，可以看出伴流對(duì)螺旋槳性能的影響，對(duì)以后更加充分的利用導(dǎo)管螺旋槳來(lái)產(chǎn)生更大的效益有所幫助。</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　自二十世紀(jì)三十年代以來(lái)，導(dǎo)管螺旋槳的研究一直被造船界所關(guān)注。近年來(lái),導(dǎo)管螺旋槳的低振動(dòng)性能引起了業(yè)界的注意，多種轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)管推進(jìn)裝置相繼問(wèn)世。在螺旋槳環(huán)流理論進(jìn)入工程應(yīng)用之前，導(dǎo)管

26、螺旋槳的研究限于試驗(yàn)研究領(lǐng)域。在系列試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外發(fā)表了一些導(dǎo)管螺旋槳系列圖譜，包括荷蘭船模試驗(yàn)水池的NO.19A+Ka系列和NO.37+Ka系列；日本的AU-Da導(dǎo)管螺旋槳系列；中國(guó)船舶科學(xué)研究中心發(fā)表的雙體導(dǎo)管槳系列；上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室發(fā)表的簡(jiǎn)易導(dǎo)管螺旋槳系列等[5]。許多學(xué)者在導(dǎo)管螺旋槳系列圖譜的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一些導(dǎo)管螺旋槳設(shè)計(jì)程序,如大連理工大學(xué)紀(jì)卓尚教授等開(kāi)發(fā)的19號(hào)導(dǎo)管加Ka系列螺旋槳設(shè)計(jì)程序。</p&

27、gt;<p>　　在導(dǎo)管槳的理論和數(shù)值研究方面，70年代一般采用鼓動(dòng)盤理論或者無(wú)限葉數(shù)螺旋槳理論來(lái)處理螺旋槳，而對(duì)導(dǎo)管,武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的數(shù)值模擬則經(jīng)歷了從線性化理論直至面元法的發(fā)展過(guò)程。隨著升力面理論和面元法在螺旋槳上的應(yīng)用日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)容量和速度方面的飛速發(fā)展，研究者們己開(kāi)始采用面元導(dǎo)管+升力面槳以至純面元模型來(lái)計(jì)算導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能。二十世紀(jì)八十年代,麻省理工Kerwin教授和Kllmas教授建立了一套

28、面元泛；預(yù)報(bào)導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能的方法。采用四邊形雙曲面元離散螺旋槳表面，每個(gè)面元仍布置等強(qiáng)度偶極子及源匯分布，提出了導(dǎo)管與螺旋槳間隙的處理方法，建立了導(dǎo)管螺旋槳尾渦模型。隨后美國(guó)和日本的許多學(xué)者用升力面和面元法針對(duì)導(dǎo)管螺旋槳在定常和非定常狀態(tài)下的水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算。1993年和1997年,Kerwin的學(xué)生Miehael Hughes和Gerard Hugh[6]分別用面元法和升力面理論預(yù)報(bào)了導(dǎo)管螺旋槳的在非均勻流場(chǎng)中的性能。在國(guó)內(nèi)

29、,1997年上海交通大學(xué)的楊晨俊教授等，螺旋槳用渦環(huán)法、導(dǎo)管用面元法預(yù)報(bào)了導(dǎo)管螺旋槳在均勻流場(chǎng)中的定常水動(dòng)力性能。2002年，上海交通大學(xué)的王國(guó)強(qiáng)教授等</p><p>　　在噪聲方面，Epstein[8]在 1953 年提出螺旋槳的噪聲研究現(xiàn)狀及節(jié)能減排的研究，開(kāi)始了對(duì)直升機(jī)螺旋槳噪聲的研究。1969 年，F(xiàn)fowcs Williams 和 Hawkings[9]給出了 FW-H 方程，奠定了螺旋槳噪聲計(jì)算的基

30、礎(chǔ)。</p><p>　　1.4 本文的主要研究工作</p><p>　　由于諸多條件的限制，本課題的重點(diǎn)著重放在了對(duì)螺旋槳以及船艉的三維建模和網(wǎng)格的劃分上，之后模擬了不同進(jìn)口速度下導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能。主要工作流程如下：</p><p>　　（1）首先使用AutoGrid對(duì)轉(zhuǎn)子的模型進(jìn)行了建立，并且對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行了劃分。</p><p>　?。?/p>

31、2）將使用Rhino軟件對(duì)船體后半部分進(jìn)行了建模，并且完成了對(duì)計(jì)算所需的外部流域的建模工作，并且在Rhino對(duì)建成的船體與螺旋槳進(jìn)行了尺寸上的配合。</p><p>　?。?）使用Pointwise軟件將之前建成的模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分調(diào)整，生成網(wǎng)格文件。</p><p>　　（4）在Ansys CFX中對(duì)之前的網(wǎng)格文件進(jìn)行設(shè)置，以用來(lái)對(duì)帶船艉的導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行了定常和非定常數(shù)值模擬，改變不同的

32、進(jìn)速，分析不同進(jìn)速下的螺旋槳性能。</p><p>　　第2章 船體模型的建立</p><p>　　2.1 基于Rhino的建模方法</p><p>　　Rhino是由美國(guó)Robert McNeel & Assoc開(kāi)發(fā)的PC上強(qiáng)大的專業(yè)3D造型軟件，它可以廣泛地應(yīng)用于三維動(dòng)畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它能輕易整合3DS MAX與Softim

33、age的模型功能部分，對(duì)要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的3D NURBS模型，有點(diǎn)石成金的效能。能輸出obj、DXF、IGES、STL、3dm等不同格式，并適用于幾乎所有3D軟件，尤其對(duì)增加整個(gè)3D工作團(tuán)隊(duì)的模型生產(chǎn)力有明顯效果，故使用3D MAX、AutoCAD、MAYA、Softimage、Houdini、Lightwave等3D設(shè)計(jì)人員不可不學(xué)習(xí)使用。</p><p>　　Rhino可以在Windows系統(tǒng)中建立、編

34、輯、分析和轉(zhuǎn)換NURBS曲線、曲面和實(shí)體。不受復(fù)雜度、階數(shù)以及尺寸的限制。這次建模主要使用到了其中曲線曲面的編輯功能，RHINO可以穿件、編輯、分析和轉(zhuǎn)換NURBS曲線、曲面、和實(shí)體，并且在復(fù)雜度、角度、和尺寸方面沒(méi)有任何限制。</p><p>　　在用戶界面可以非?？焖俚貙?shù)據(jù)表示成圖形，3-D制圖法，無(wú)限制的透視視窗；無(wú)限制的UNDO和REDO，還有精確的尺寸輸入、模型捕捉、網(wǎng)格點(diǎn)的捕捉、正交、平面、創(chuàng)建平面

35、、層、背景位圖等功能；其他在創(chuàng)建曲線，創(chuàng)建曲面，編輯曲面，編輯實(shí)體等方面均有很多命令。</p><p>　　關(guān)于高品質(zhì)曲面與精確建模，Rhino 3D運(yùn)用多種技術(shù)幫助用戶制作出高品質(zhì)的曲面，以實(shí)現(xiàn)精確建模。利用G-Infinity混接技術(shù)。使用者能夠以實(shí)時(shí)的互動(dòng)方式調(diào)整混接的兩端的轉(zhuǎn)折形狀，并維持所設(shè)定的幾何連續(xù)條件，幾何連續(xù)最高可以設(shè)定到G4.UDT通用變形技術(shù)（University Deformation T

36、echnology）能夠讓使用者無(wú)限制地對(duì)曲線、曲面、多邊形網(wǎng)格以及實(shí)體物件做變形作業(yè)，同時(shí)能夠保持物件的完整條件。此外，Rhino 3D還包括布爾運(yùn)算、RP（Rapid Prototyping）制作、網(wǎng)格（Mesh）文件編輯與修改、強(qiáng)大的多混合（Blend）功能、多樣化的圓角技術(shù)（Filleting）、多種顯示模式等，并且提供了許多強(qiáng)大、準(zhǔn)確、幾乎涵蓋了所有常見(jiàn)工業(yè)格式的數(shù)據(jù)接口（如IGES、STEP、DWG、3DS、STL等），這使

37、Rhino文件可以完好準(zhǔn)確地導(dǎo)入到其他軟件中[10]。</p><p>　　關(guān)于建模的問(wèn)題，對(duì)于Rhino中以及其他建模軟件的建模過(guò)程來(lái)說(shuō)，大體上都是經(jīng)歷了從點(diǎn)到線再到面最后到體的過(guò)程，建模不是一成不變，比如生成一個(gè)曲面可以由許多種方式，每種方式又有許多選項(xiàng)可以進(jìn)行調(diào)整，主要的宗旨就是是面要盡可能的光順，符合實(shí)際，使建立出來(lái)的模型能更加夠更加適合后續(xù)的操作。</p><p>　　圖2-1

38、Rhino建模實(shí)例</p><p>　　對(duì)于建模來(lái)說(shuō)，非常重要的就是詳細(xì)地理解每個(gè)命令的使用方法和意義以及所有命令整體包含的意義和方法。船舶曲面的最好的品質(zhì)主要體現(xiàn)在它的光滑性、連續(xù)性，以及整體變化體現(xiàn)出來(lái)的張力。應(yīng)該能夠從根本上不必借助復(fù)雜的工具來(lái)理解和想象這樣的曲面，但使用計(jì)算機(jī)軟件的要義在于明白這些命令的意義方法，明白它們是如何幫助我們?cè)谡w的復(fù)雜控制中實(shí)現(xiàn)曲面的優(yōu)秀品質(zhì)。</p><p

39、>　　下面來(lái)說(shuō)一說(shuō)基于設(shè)計(jì)需要上的曲面分類和工具，有一個(gè)問(wèn)題就是犀牛可以“所向皆能為嗎？”這個(gè)是肯定的。凡是能夠想到的曲面，確實(shí)都可以比較好地作出來(lái)。至于要達(dá)到某種非常理想的結(jié)果，實(shí)在僅用一些基本的曲面工具是做不到的，但就本次計(jì)算模擬的目的，完全說(shuō)已經(jīng)夠用了。</p><p>　　關(guān)于曲面的生成方面：如果隨意地繪制一組截面線，再用Loft生成，可以得到一個(gè)我們想要的初步的面。它的輪廓是基本能合乎我們思想的。

40、但明顯我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)果是軟軟的，不夠挺，看起來(lái)不舒服。因此，如何讓一個(gè)有了大體上滿意的曲面挺起來(lái)，看來(lái)這個(gè)問(wèn)題還是比較重要的。</p><p>　　對(duì)于船體中復(fù)雜曲面的生成方法大體上有幾種，設(shè)想一下一個(gè)并非多個(gè)對(duì)象直接組合的復(fù)雜曲面的生成過(guò)程的所有可能性。一種是由截線去運(yùn)動(dòng)，犀牛是允許這些截線的形狀自由變化，甚至由方變圓；二是從一個(gè)球開(kāi)始變形。包括凹進(jìn)，凸起。如果能像橡皮泥那樣捏起插入，那就可以隨意雕塑了。船體

41、曲面通過(guò)局部的凹進(jìn)，凸起，這樣可以產(chǎn)生各樣的曲面；三是由曲面的整體或者局部逐漸退化成“線”的特征。這些實(shí)際上有截面但大尺度觀看就像線的曲面會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的纏繞網(wǎng)格。曲面的復(fù)雜性幾乎就是空間關(guān)系的表達(dá)，哪些對(duì)象跟哪些對(duì)象有什么關(guān)系是最重要的；第四，粗看上去很簡(jiǎn)單的外輪廓，實(shí)際上卻包含著很復(fù)雜精細(xì)的生成結(jié)構(gòu)，曲面的復(fù)雜性跑到表皮來(lái)了；第五就是具有精致的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)特性的曲面。曲面具有機(jī)器固有的硬度剛度和彈性。第六點(diǎn)是對(duì)于一個(gè)復(fù)雜曲面或者簡(jiǎn)單曲面進(jìn)行

42、扭，捏，拉，炸等運(yùn)動(dòng)操作產(chǎn)生的曲面。曲面的復(fù)雜性決定于動(dòng)作控制命令。</p><p>　　以上介紹了一些建模思想，本次課題最大的工作應(yīng)該在于通過(guò)對(duì)建模軟件Rhino的學(xué)習(xí)進(jìn)行了船體的三維建模，使其能夠進(jìn)行計(jì)算。本次課題擬選用一艘3500TEU的集裝箱船作為模型進(jìn)行參考，有了船體的模型之后通過(guò)切割曲面，建立曲線，生成曲面重新建立模型。</p><p>　　圖2-2 集裝箱船模型</p&

43、gt;<p>　　在此模型的基礎(chǔ)上來(lái)看，有一些地方需要改進(jìn)，由于本次計(jì)算是為了模擬導(dǎo)管螺旋槳在船尾伴流下的水動(dòng)力性能，所以選擇暫時(shí)先不考慮船體的前半部分，僅對(duì)船體的尾部進(jìn)行建模。通過(guò)尾部模型與外部流場(chǎng)模型與導(dǎo)管的配合來(lái)模擬產(chǎn)生伴流場(chǎng)。</p><p>　　2.2 模型建立過(guò)程</p><p>　　2.2.1 型線部分建立</p><p>　　首先要根據(jù)

44、之前已有的橫剖面圖建立曲線，我用的是樣條曲線進(jìn)行多點(diǎn)劃線，進(jìn)行劃線需要注意一些事情，比如在選取橫剖面時(shí)要注意，選取來(lái)進(jìn)行劃線的面要盡量具有代表性。</p><p>　　Rhino中對(duì)曲線的建立有幾種方式，一是繪制曲線，即指定曲線的起點(diǎn)，下幾個(gè)點(diǎn)；二是套用至曲面，先選取平面的曲線，然后選取目標(biāo)曲面（XY平面上的曲線被套用至曲面，于曲面上建立3D曲線），就是先使用CreatUVCrv指令以曲面產(chǎn)生平面的UV曲線作為定

45、位文字的參考。UV曲線就如同定位框一般，必須同時(shí)選取UV曲線及要套用至曲面的曲線一起套用至曲面上等等。總結(jié)來(lái)說(shuō)就是可以直接進(jìn)行曲線的繪制，也可以通過(guò)曲面來(lái)生成曲線。本課題將主要用到以上兩種方式來(lái)建立曲線。</p><p>　?。?）首先將多余的上層建筑除去，使用的是delete命令，從右下方刪除，注意先不要?jiǎng)h除水線面一下的部分。留作之后截取曲面來(lái)用。</p><p>　　圖2-3 刪除上層

46、建筑之后的模型</p><p>　?。?）這時(shí)候需要通過(guò)建立曲面來(lái)進(jìn)行切割，在菜單欄中選擇建立曲面命令，然后在下拉菜單中選擇平面，平面類型選擇切割用平面。選擇好之后選中之前的模型船體，之后按提示選擇切割平面起點(diǎn)。按Enter鍵之后生成一個(gè)平面。</p><p>　　圖2-4 建立切割用平面</p><p>　?。?）然后可以使用Trim指令，第一步是選取切割用物件，

47、這時(shí)選擇之前建立好的平面，按下鼠標(biāo)右鍵（或者Enter鍵）之后把船體水線面以上的部分逐個(gè)修剪掉,在修剪的時(shí)候只能夠把和船體表面相連的那部分刪除掉，多余的一些曲線需要之后自行刪掉。再刪除曲線的時(shí)候其實(shí)可以全部刪除掉，只剩下曲面，最后可以自動(dòng)生成所有的曲線以用于導(dǎo)出。圖2-6是用同樣的方法刪除完成之后的船體面。</p><p>　　圖2-5 刪除多余面后的船體后部</p><p>　?。?）這

48、樣就基本完成了重新建模前的準(zhǔn)備工作，現(xiàn)在開(kāi)始介紹截取曲線，因?yàn)樵诖四Ｐ偷幕A(chǔ)上來(lái)重新建模，所以需要根據(jù)其橫剖線的一些數(shù)據(jù)來(lái)重新進(jìn)行劃線，在劃線時(shí)可以有兩種辦法。第一種是通過(guò)菜單欄里面編輯菜單下的分割命令，然后在指令中選擇I即采用結(jié)構(gòu)線分割，這樣可以沿著曲面來(lái)截取結(jié)構(gòu)線。但是這樣對(duì)形狀的改變沒(méi)有幫助，而且在接近船尾處由于某些曲面是有間隔的，沒(méi)有辦法截出完整曲線（圖2-6）。第二種方法就是通過(guò)其他視圖找到其橫剖面的曲線位置，然后用樣條曲線進(jìn)

49、行自行劃點(diǎn)生成曲線。在使用這種方式畫曲線時(shí)比較復(fù)雜的就是需要自行決定畫很多的點(diǎn)，然后由于在視圖中的的點(diǎn)很多，而且是在三維空間內(nèi)部選點(diǎn)，所以極其容易選擇的點(diǎn)不在同一個(gè)站面上，這種解決辦法就是在屏幕最下方的菜單欄里打開(kāi)物件鏡點(diǎn)，把最近點(diǎn)和端點(diǎn)進(jìn)行勾選，這時(shí)候可以先不要勾選交點(diǎn)這個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)樵邳c(diǎn)和線都非常多的情況下，交點(diǎn)也會(huì)比較多，所以會(huì)出現(xiàn)和之前討論的同樣的問(wèn)題，就是比較容易選擇上不在同一個(gè)平面上的點(diǎn)。這樣生成的曲線沒(méi)有辦法用來(lái)進(jìn)行下一步生

50、成曲面的操作。圖2-7是在截取的站面處進(jìn)行主動(dòng)選點(diǎn)。在選擇截取的曲面時(shí)也要注意選擇比較具有代表性的曲面，所謂具有</p><p>　?。?）接下來(lái)就是通過(guò)同樣的方式來(lái)畫曲線，在每一個(gè)剖面處都畫出一條曲線，曲線的點(diǎn)數(shù)由于曲面輪廓的大小決定，所以暫時(shí)先不需要控制，不過(guò)盡量使點(diǎn)數(shù)多一些，這樣可以比較清楚的反應(yīng)船體尤其是船面邊緣處的形狀。除了進(jìn)行如圖2-8（a）中豎向的切面之外，在某些地方需要進(jìn)行橫向切面，主要是在和螺旋

51、槳軸相連的那部分類似橢圓形尾的地方需要進(jìn)行多次切面。方法如同之前說(shuō)過(guò)的一樣。要注意的是由于最底部的形狀是一個(gè)橢球面型，比較不易放樣生成曲面，故在截取時(shí)在底部需要多截取幾個(gè)面，這樣之后進(jìn)行曲面的工作時(shí)比較容易得到好的形狀。</p><p>　　此處需要補(bǔ)充，建立模型時(shí)最重要的中心思想就是細(xì)化，把粗糙的地方進(jìn)行放大，進(jìn)行細(xì)致劃分，這樣得到的模型才能更加容易符合要求。圖2-8（b）就是對(duì)橢圓形尾處進(jìn)行多個(gè)曲面的切割。&

52、lt;/p><p>　　圖2-6 船尾的不連續(xù)處</p><p>　　圖2-7 用樣條曲線命令來(lái)生成所需曲線</p><p>　　圖2-8 豎向切面情況</p><p>　?。?）在完成了對(duì)每個(gè)曲面的選取切割之后，對(duì)每個(gè)站面處進(jìn)行畫曲線的工作，注意在每個(gè)比較復(fù)雜或者與其他曲面配合不好的曲面處進(jìn)行細(xì)化即多劃線，還要注意在每個(gè)方向上的曲面都要平行。有

53、了這幾個(gè)原則之后就可以生成多條曲線，然后將不夠好的曲線刪掉，留下幾條比較能夠?qū)Υw形狀體現(xiàn)完好的曲線，而且要求這些曲線在拐點(diǎn)處要比較光順。圖2-9就是最后剩下來(lái)準(zhǔn)備進(jìn)行下一步曲面生成時(shí)的曲線。</p><p>　　圖2-9 用于建模的曲線</p><p>　　2.2.2 船體曲面到實(shí)體的建立</p><p>　　在曲線的編輯工作完成之后開(kāi)始需要進(jìn)行曲面的編輯工作，對(duì)

54、于曲面建立比較重要的注意點(diǎn)就在曲面的連接性上面，處理的好，做出來(lái)的曲面就自然、連續(xù)、好看；否則就會(huì)很粗糙，凹凸不平。模型做的好不好，對(duì)曲面的處理能力很重要。由于本次課題主要討論的是船尾部分對(duì)伴流的影響，故只對(duì)船尾部分曲面進(jìn)行了建模，在曲面的處理上本課題主要經(jīng)歷了一下過(guò)程。</p><p>　　Rhino中曲面的生成大體上有這么幾種方式：可以從角點(diǎn)建立，就是指定曲面的三個(gè)或四個(gè)角來(lái)建立曲面；還可以通過(guò)從邊緣曲線來(lái)建

55、立，以兩條、三條或四條曲線來(lái)建立曲面；另外從平面曲線來(lái)建立也是比較常用的方式，本次建模也常常用到這種方式。還可以通過(guò)擠出曲線來(lái)建立，將曲線與工作平面垂直的方向筆直地?cái)D出建立曲面或?qū)嶓w。如果邊界不全，或者沒(méi)有連接上的情況下還可以通過(guò)沿著曲線掃掠的方式生成曲面，就是將沿著一條路徑通過(guò)數(shù)條定義曲面形狀的斷面曲線建立曲面。而本課題用得最多的生成曲面的方式就是Loft即放樣生成，方法就是輸入Loft指令，然后依序選取曲面要通過(guò)的斷面曲線，注意數(shù)條

56、開(kāi)放的斷面曲線需要點(diǎn)選于同一側(cè)，數(shù)條封閉的斷面曲線可以調(diào)整曲線接縫。本課題基本上用到了以上的幾種方法來(lái)生成船體的表面。</p><p>　　（1）先進(jìn)行主船體的建模過(guò)程，需要選中在船中部分的幾條曲線進(jìn)行Loft指令，然后在造型一欄中盡量不要選擇緊繃，因?yàn)榫o繃的放樣曲面會(huì)緊繃的通過(guò)斷面曲線，這樣的方式比較適合建立轉(zhuǎn)角處的曲面。推薦選擇默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)，因?yàn)閿嗝媲€之間的曲面會(huì)以“標(biāo)準(zhǔn)”量延展，因?yàn)槲蚁虢⒌那媸潜容^

57、平緩的，而且斷面曲線之間距離比較大，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)比較合適；關(guān)于“松弛”選項(xiàng)，使用這個(gè)選項(xiàng)時(shí)，輸入的曲線控制點(diǎn)會(huì)成為放樣曲面的控制點(diǎn)。這個(gè)選項(xiàng)可以建立比較平滑的放樣曲面，但是放樣曲面不會(huì)通過(guò)所有的斷面曲線，使用一般選項(xiàng)時(shí)，輸入的曲線會(huì)成為放樣的結(jié)構(gòu)線；“平直區(qū)段”是表示放樣曲面在斷面線之間是平直的；“均勻”是建立的曲面的控制點(diǎn)對(duì)曲面曲面都有相同的影響力，均勻選項(xiàng)可以用來(lái)建立數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的曲面；最后談一下“可展開(kāi)的”選項(xiàng)，從每一對(duì)斷面曲

58、線建立個(gè)別的可展開(kāi)的曲面或多重曲面。這個(gè)選項(xiàng)適用于建立的放樣曲面需要使用UnrollSrf指令展開(kāi)（平面化）的情形，這樣的放樣曲面展開(kāi)時(shí)不發(fā)生延展的情形，并不是所有的曲線都可以建立這樣的放樣曲面，有的可能無(wú)法建立曲面或只建立部分的曲面，另外，我發(fā)現(xiàn)，兩條不平行的直線無(wú)法展開(kāi)。下面選擇</p><p>　　在這邊是根據(jù)自己的感覺(jué)來(lái)進(jìn)行選取，在每選擇完一個(gè)選項(xiàng)之后即可選擇預(yù)覽選項(xiàng)進(jìn)行預(yù)覽，建模就是一個(gè)調(diào)整的過(guò)程，需要

59、根據(jù)情況適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。圖2-10（a）就是最初經(jīng)過(guò)放養(yǎng)之后生成的模型，這個(gè)模型體現(xiàn)了一個(gè)需要注意的問(wèn)題，可以看到在進(jìn)行放樣生成曲面之后，曲面的結(jié)構(gòu)線比較混亂，這時(shí)候就需要處理一下，分析其原因是由于各個(gè)曲線的點(diǎn)數(shù)和階數(shù)不同，然后在進(jìn)行放樣時(shí)如果對(duì)齊了曲線，在系統(tǒng)自動(dòng)生成的曲面上的結(jié)構(gòu)線就會(huì)比較復(fù)雜，比較多，比較亂。這時(shí)候我采取的解決辦法是將之前畫好的曲線進(jìn)行重構(gòu)，將即將進(jìn)行放樣成曲面的線進(jìn)行重新構(gòu)造構(gòu)，改變它們的階數(shù)與點(diǎn)數(shù)，盡量使在外部形

60、狀相似的曲線，它們的結(jié)束和點(diǎn)數(shù)也一樣，這樣放樣生成的曲面就會(huì)比較光順。如圖2-10（b）所示就是將曲線進(jìn)行重構(gòu)之后然后在放樣生成的曲面，可見(jiàn)這時(shí)的曲面結(jié)構(gòu)線就會(huì)比較平滑，比較清晰，這樣的曲面也會(huì)比較好。</p><p>　　這里要解釋為什么需要改變階數(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)講：比如，畫一條直線最少也得用兩個(gè)點(diǎn)來(lái)定義，畫一條拋物線或圓弧最少需要三個(gè)點(diǎn)來(lái)定義，畫自由曲線則需要最少四個(gè)點(diǎn)來(lái)定義。（這點(diǎn)可以沖曲線的表達(dá)式上來(lái)得到印證，

61、直線為二元一次函數(shù)，圓弧則為二元二次函數(shù)，自由曲線為多元三次或者三次以上函數(shù)，其中的次數(shù)就是階數(shù)）</p><p>　　而曲線的階數(shù)便與定義該曲線最少使用的點(diǎn)有關(guān)。為：曲線階數(shù)=定義該曲線所用的最少點(diǎn)數(shù)減1。</p><p>　　圖2-10 結(jié)構(gòu)線生成的曲面</p><p>　　即：直線為一階（2點(diǎn)減1）拋物線與圓弧為2階（3點(diǎn)減1）自由曲線為3（4點(diǎn)減1）而復(fù)雜自

62、由曲線可能為4或者更多（Rhino中有個(gè)階數(shù)最高值，高達(dá)幾十，但一般用不到）。</p><p>　　重建曲線中的階數(shù)便是這樣，點(diǎn)數(shù)=階數(shù)+1.但準(zhǔn)確的說(shuō)是點(diǎn)數(shù)必須大于等于階數(shù)+1。通俗來(lái)說(shuō)：最簡(jiǎn)可以用兩點(diǎn)來(lái)定義一條直線，但是用8個(gè)點(diǎn)也一樣可以，但是用一個(gè)點(diǎn)絕對(duì)不可能。只不過(guò)中間的六個(gè)點(diǎn)在直線上，但是并沒(méi)有起到根本的約束作用。這個(gè)過(guò)程就是你用“起點(diǎn)——終點(diǎn)”畫一條直線，然后“重建曲線”選擇點(diǎn)數(shù)為8，階數(shù)為1的過(guò)程。

63、那么中間的六個(gè)點(diǎn)起什么作用呢？從數(shù)學(xué)上并不起任何約束作用，但是對(duì)于Rhino中的造型確實(shí)大有作用，可以使一條曲線的可編輯程度大大增加。</p><p>　　再者，如果我把2點(diǎn)畫的線定義成2階會(huì)怎樣？這時(shí)控制點(diǎn)的數(shù)量就必須大于3，同時(shí)這三點(diǎn)也具備了圓弧點(diǎn)的性質(zhì)。同樣，把直線重建為“4階5點(diǎn)”便可以實(shí)現(xiàn)自由曲線的特征。</p><p>　　如果填寫的點(diǎn)數(shù)小于或等于階數(shù)，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)把點(diǎn)數(shù)修

64、改為階數(shù)+1.這點(diǎn)可以在指令欄里輸入changedegree命令來(lái)驗(yàn)證，這個(gè)命令只改變階數(shù)，點(diǎn)數(shù)默認(rèn)為階數(shù)+1（升階），降階的話控制點(diǎn)數(shù)量不變。</p><p>　　總的來(lái)說(shuō)是這樣，高階的曲線更為復(fù)雜，可編輯性也會(huì)更好。但是，高階會(huì)容易增加運(yùn)算負(fù)擔(dān)。用曲線生成曲面時(shí)，一個(gè)曲線上的控制點(diǎn)便對(duì)應(yīng)一條曲面上的ISO（基準(zhǔn)）。所以面向外觀的模型3階曲線就足夠，最多4階。我在創(chuàng)建曲面時(shí)一般情況下的曲線選擇的都是三階，點(diǎn)數(shù)根

65、據(jù)曲線程度來(lái)看，盡量要多一些，使其編輯的自由度大一些。視情況而定。</p><p>　　（1）下面來(lái)看一看在曲面的生成過(guò)程中還需要注意的一個(gè)問(wèn)題，就是在放樣生成曲面時(shí)，如果曲線對(duì)齊的方向不對(duì)，則容易使生成的曲面扭曲，這樣的話就不能滿足建模的要求。如圖2-11（a），這時(shí)候可以通過(guò)修改來(lái)使曲面平整光滑。這時(shí)就要在放樣選項(xiàng)中點(diǎn)“對(duì)其曲線”命令，點(diǎn)選完之后屏幕中就會(huì)出現(xiàn)每個(gè)曲線的端點(diǎn)，這是用來(lái)選取方向，只需要沿著同一個(gè)

66、方向點(diǎn)選各個(gè)點(diǎn)，曲面就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，最后生成如圖2-11（b）比較好的結(jié)果。（圖2-15）</p><p>　　圖2-11 曲面的調(diào)整</p><p>　?。?）在完成主要船體部分的建模之后接下來(lái)需要進(jìn)行的就是船尾部分的建模，在進(jìn)行船尾部分的建模時(shí)需要更加注意曲面的調(diào)整，由于船尾部分是計(jì)算的主要地方，而且尤其在橢圓型尾處曲面比較復(fù)雜，所以需要進(jìn)行多次曲面生成，并且多注意曲面的銜接問(wèn)題。在

67、完成船尾部分建模時(shí)首先建立靠近橢圓型尾處的曲面，圖2-12中這兩根線在建立的時(shí)候是只畫了一半，這時(shí)候就需要用到mirror命令，鏡像出另外一半，之后進(jìn)行之前談到的曲線的重構(gòu)，生成曲面。</p><p>　　圖2-12 部分曲線選中</p><p>　　（3）這樣就完成了除橢圓型尾之外的大部分建模工作，圖2-13是建好的船面，下面開(kāi)始進(jìn)行橢圓型尾處的曲面建立。同樣需要選中所有的曲線，之后進(jìn)行

68、Loft放樣操作，這時(shí)候同樣需要先把各個(gè)曲線的點(diǎn)數(shù)與階數(shù)改變，根據(jù)線的長(zhǎng)短選擇點(diǎn)數(shù)和階數(shù)，之后根據(jù)情況來(lái)對(duì)齊曲線，這樣就能夠生成最后的曲面，按照同樣的要求生成其他的平面，圖2-14是生成完其他曲面后的情況。</p><p>　　圖2-13 建成的船面</p><p>　　圖2-14 大部分船體表面</p><p>　　在這個(gè)時(shí)候需要注意另外一個(gè)問(wèn)題，就是曲面的銜接問(wèn)

69、題，在圖2-14有一部分曲面沒(méi)有生成，就是空余的那部分，因?yàn)榇嬖诩恻c(diǎn)，在放大之后如圖2-15所示，可以看到兩個(gè)曲面之間存在著縫隙。</p><p>　　圖2-15 兩個(gè)平面間的縫隙</p><p>　　在這個(gè)時(shí)候就沒(méi)辦法直接通過(guò)平面曲線來(lái)生成曲面了，也沒(méi)有辦法用Loft命令來(lái)生成曲面，這時(shí)候單軌、多軌掃掠都沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)，原因就是因?yàn)榍€的不封閉，這時(shí)候可以采取一些解決辦法，方法有很多，主要

70、目的是讓各個(gè)曲線連接到一起，我采取的方法是對(duì)圖2-16（a）中選中的曲線進(jìn)行重建，把曲線的點(diǎn)數(shù)改的多一些，然后通過(guò)平移操作是曲線移動(dòng)到同一個(gè)平面上，為了不對(duì)船體形狀有較大的變動(dòng)，我使用手動(dòng)的方法即按F10開(kāi)啟控制點(diǎn)進(jìn)行對(duì)曲線尖端的控制，這時(shí)候需要注意在選中控制點(diǎn)的時(shí)候一定要左右對(duì)稱，不然的話曲線的主體形狀就會(huì)改變，會(huì)對(duì)最后生成的曲面會(huì)產(chǎn)生影響，這時(shí)候需要把正交控制打開(kāi)，選擇完控制點(diǎn)之后進(jìn)行拉伸，在拉伸的時(shí)候注意要把物件鏡點(diǎn)打開(kāi)，選取捕捉

71、端點(diǎn)，與最近點(diǎn)，還有交點(diǎn)。然后進(jìn)行拉伸，注意不需要選取太多，一部分即可，拉伸曲線使其端點(diǎn)能夠與與原來(lái)的重合，這樣就解決了尖端的不連續(xù)問(wèn)題。最后逐步生成的曲面如圖2-16（b）所示。</p><p>　　船后舵的建模：在基本的船體曲面都生成了之后可以進(jìn)行局部的建模，首先就是船后舵的建模，先期的準(zhǔn)備工作就和之前的一樣，首先先把曲線畫出來(lái)，就是基本上能夠體現(xiàn)舵的形狀的曲線，由于舵的形狀比較規(guī)則，在本次建模中我只選用了三

72、處平面曲線用來(lái)生成舵的曲面，如圖2-17所示曲線。</p><p>　　圖2-16 重構(gòu)曲線的選中</p><p>　　然后進(jìn)行同樣的放樣操作，生成曲面，注意在這個(gè)時(shí)候生成曲面需要分別選中三條曲線的一半，如圖2-17中一樣，然后進(jìn)行放樣操作，這樣生成的曲面就會(huì)比較光滑，這樣子是生成了一半的曲面，然后進(jìn)行鏡像操作就可以生成舵的形狀了（圖2-18）。生成之后的曲面由于無(wú)法精確的與船面進(jìn)行配合，

73、所以需要采取另外一種方式，就是把生成的曲面進(jìn)行組合，拔下表面通過(guò)平面曲線來(lái)建立一個(gè)面，上表面先不要封上，之后輸入指令Extrudesrf，這時(shí)候選取上部曲面的邊緣，輸入延伸系數(shù)2.00，延伸出一個(gè)曲面來(lái)。注意這個(gè)時(shí)候不能夠使用ExtrudeCrv指令，因?yàn)閿D出曲面生成的曲面是不能夠沿著之前法線方向的，那樣生成的曲面是垂直的，形狀原始曲面會(huì)有很大的差別，所以在這點(diǎn)上需要用延伸曲面的命令，即ExtrudeSrf。</p>&l

74、t;p>　　圖2-17 生成一半的舵</p><p>　　圖2-18 鏡像之后舵的曲面</p><p>　?。?）這樣延伸完曲面之后舵的最上面就會(huì)超過(guò)船體表面，這時(shí)候就可以通過(guò)最后的生成實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算取并集來(lái)進(jìn)行解決，但是這個(gè)步驟需要等到船體的實(shí)體生成之后與舵的實(shí)體生成之后才可以進(jìn)行取并集操作。</p><p>　　此前的一部分操作已經(jīng)基本上建立完成了船體大

75、部分的外部曲面，下面的工作就是對(duì)還沒(méi)有進(jìn)行建模的局部地方進(jìn)行創(chuàng)建，比如槳軸的地方，槳軸處的創(chuàng)建時(shí)需要最后與導(dǎo)管螺旋槳相配合時(shí)進(jìn)行，這將在下一章講螺旋槳尺寸配合時(shí)介紹；另外由于所建立的曲面不是一次生成的，所以難免會(huì)有一些地方的曲面沒(méi)有銜接好，所以還需要尋找這些漏洞。</p><p>　　如之前提到的，建模的主要工作是在是每個(gè)曲面的生成都盡量的光滑、好看，這樣對(duì)以后的計(jì)算也能夠起到很大的幫助，在本課題中提出一種是曲面

76、扭曲的解決方法。</p><p>　　在橢球尾的地方，由于最底部只是一個(gè)點(diǎn)，沒(méi)有辦法建立曲線，而且在對(duì)尾部進(jìn)行切割選取曲面的時(shí)候，往往是不可能配合的完好的，總會(huì)有一些地方的曲線沒(méi)有接上，甚至沒(méi)有一條連接上，如圖2-19所示。這時(shí)候有兩組曲線進(jìn)行放樣生成曲面，期間難免會(huì)有縫隙，這樣縫隙的存在就會(huì)是最后整個(gè)船體沒(méi)辦法生成實(shí)體，所以就要進(jìn)行銜接操作。</p><p>　　所謂的銜接就是調(diào)整曲面的

77、邊緣使其和其它曲面形成位置、相切或曲率連接。步驟是先選擇一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行修剪的曲面邊緣，然后選取銜接的目標(biāo)曲面邊緣，選取銜接的目標(biāo)曲面邊緣。兩個(gè)曲面邊緣必須選取同一側(cè)，目標(biāo)曲面的邊緣可以使修剪或者未修剪的邊緣。</p><p>　　其中的選項(xiàng)包括多重銜接：即可以同時(shí)銜接一個(gè)以上的邊緣；還有互相銜接：即如果目標(biāo)曲面的邊緣是未修剪邊緣，兩個(gè)曲面的形狀會(huì)被互相銜接調(diào)整；再一個(gè)就是精確銜接：這時(shí)候需要檢查一下兩個(gè)曲面銜接后邊

78、緣的誤差是否小于模型的絕對(duì)公差，有需要時(shí)會(huì)在改變的曲面上加入更多的結(jié)構(gòu)線，使兩個(gè)曲面銜接的邊緣誤差小于模型的絕對(duì)公差；以最近點(diǎn)銜接邊緣：改變的曲面邊緣和目標(biāo)邊緣有兩種對(duì)其方式：一、延展或縮短曲面邊緣，使兩個(gè)曲面的邊緣在銜接后端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)。二、將改變的曲面邊緣的每一個(gè)控制點(diǎn)拉到目標(biāo)曲面邊緣上的最接近點(diǎn)。</p><p>　　在基本的建模工作完成之后，會(huì)有很多曲面之間需要進(jìn)行銜接，這時(shí)候就需要根據(jù)情況來(lái)選擇銜接方式，這

79、次建模時(shí)主要選擇維持另一端和以最近點(diǎn)銜接邊緣，這樣一步步基本把曲面都進(jìn)行了銜接，銜接之后的曲面就可以進(jìn)行組合了。</p><p>　　圖2-19 曲線之間的縫隙</p><p>　　在銜接的過(guò)程中也有一些小的地方值得注意一下，比如船底部的橢圓形部分與旁邊曲面在相連的時(shí)候總是不能光順的連接，會(huì)有一些褶皺，如圖2-20，后來(lái)我發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種情況的原因可能就是最開(kāi)始劃線的時(shí)候兩個(gè)曲面的線就不相連，

80、所以放樣生成的曲面進(jìn)行銜接之后會(huì)有縫隙。這個(gè)時(shí)候的解決辦法是在船尾那一小部分放棄使用放樣來(lái)生成曲面，使用單根線沿著軌跡進(jìn)行掃掠生成曲面，這時(shí)候會(huì)生成一個(gè)多出一塊兒的曲面，這時(shí)候就需要兩個(gè)交叉的曲面進(jìn)行互相修剪，修剪命令可以在編輯菜單中選取。在完成這部分的模型修正之后船體的大部分就已經(jīng)建模完成。圖2-21是已經(jīng)基本建成的部分船體模型。</p><p>　　圖2-20 曲面的褶皺部分</p><p

81、>　　圖2-21 基本完成的船體模型</p><p>　?。?）在完成了船體的建模過(guò)程之后需要對(duì)舵的部分進(jìn)行修正，這時(shí)候需要用到實(shí)體編輯工作。Rhino中的實(shí)體編輯程序包括布爾運(yùn)算、加蓋/封閉、變形控制器編輯、洞、移動(dòng)邊緣/面/洞，本次建模過(guò)程只需要用到實(shí)體編輯中的布爾運(yùn)算。所謂的布爾運(yùn)算（NURBS）需要在啟動(dòng)指令前預(yù)選第一個(gè)物件或全部物件，布爾運(yùn)算指令也可以使用于曲面和開(kāi)放的多重曲面，其結(jié)果與被選中的物

82、件的法線方向有關(guān)，可以選用Dir指令檢查曲面的方向。而且如果布爾運(yùn)算的結(jié)果和您所預(yù)期的不一樣，也可以使用Dir或Flip指令反轉(zhuǎn)曲面的法線方向后再試一次。如果有需要，可以使用Join指令將數(shù)個(gè)曲面組合成為一個(gè)多重曲面，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)物件的布爾運(yùn)算需要使用網(wǎng)格、布爾運(yùn)算指令。</p><p>　　在船體表面與舵的表面進(jìn)行布爾運(yùn)算取并集，這樣兩個(gè)曲面之間會(huì)自動(dòng)修剪掉多余的部分，通過(guò)這種方式可以無(wú)縫的把舵的上表面和船體連接起

83、來(lái)，對(duì)之后以database文件導(dǎo)出到Pointwise中有好處，可以使劃分網(wǎng)格時(shí)比較容易生成網(wǎng)格面。曲面配合之后如圖2-22。</p><p>　　圖2-22 船與舵取并集之后</p><p>　　圖2-23 完成的船體渲染模型</p><p>　?。?）這時(shí)候只需要對(duì)船體的上表面進(jìn)行補(bǔ)面即可，由于最上層的水線面是由多個(gè)曲面拼合而成的，所以不要用邊緣曲線命令來(lái)進(jìn)行

84、生成曲面，使用平面曲線的命令來(lái)進(jìn)行生成曲面，生成了曲面之后可以在指令欄中輸入Creatsolid指令，把所有的曲面選中，點(diǎn)Enter鍵之后便生成了實(shí)體。如圖2-23，這時(shí)候船體部分的建模就完成。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　在這一章主要介紹了用Rhino怎樣建立一個(gè)船體的模型，即通過(guò)已有的一些數(shù)據(jù)圖像怎樣加進(jìn)自己的改動(dòng)建立

85、一個(gè)適合計(jì)算要求的模型以及其中的需要注意的幾個(gè)事項(xiàng)，還有Rhino中一些常用命令的介紹，以及這些命令使用的情況，包括一些特殊曲面的生成方法，模型的建立為之后的網(wǎng)格劃分以及計(jì)算都奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第3章 船槳模擬前處理</p><p>　　3.1 船槳尺寸配合以及外流域建立</p><p>　　在進(jìn)行靜止域的網(wǎng)格劃分之前，由于建立船的模型與之后建立的轉(zhuǎn)

86、子的模型是在不同坐標(biāo)系下建立的，這時(shí)候需要對(duì)兩者的尺寸進(jìn)行一個(gè)配合。這個(gè)配合我是在Rhino中完成的，下面一節(jié)將介紹一下在Rhino中進(jìn)行尺寸的配合以及船體外部水池流域的建立過(guò)程。</p><p>　　因?yàn)橐M(jìn)行船體和螺旋槳尺寸及坐標(biāo)系的配合，所以就需要將船體和螺旋槳導(dǎo)入到一起進(jìn)行配合。具體方法是把導(dǎo)管的外壁曲線導(dǎo)入到Rhino中進(jìn)行重新劃線。</p><p>　?。?）將導(dǎo)管邊界曲線到處

87、成.dat格式，然后還是需要用記事本打開(kāi)，其中包含有所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這時(shí)候由于Rhino中可以識(shí)別的是CAD文件的坐標(biāo)，所以需要將所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。圖3-1是在Pointwise中對(duì)導(dǎo)管的外壁曲線進(jìn)行導(dǎo)出。</p><p><b>　　圖3-1導(dǎo)出導(dǎo)管壁</b></p><p>　?。?）將曲線導(dǎo)入到Excel中之后通過(guò)點(diǎn)選所有點(diǎn)，這樣在每個(gè)

88、點(diǎn)之間加上坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的符號(hào)，即&“，”&，然后進(jìn)行下拉操作即可。其他側(cè)壁以及槳轂帽的曲線以同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出。之后將所得到的數(shù)據(jù)復(fù)制出來(lái)導(dǎo)入到Rhino中，就是選擇樣條曲線，然后將點(diǎn)的數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)去即可。</p><p>　?。?）將曲線導(dǎo)入到犀牛中之后就需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。選中曲線之后選擇生成曲面中的旋轉(zhuǎn)命令，按照指令的提示以z坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)出一個(gè)導(dǎo)管大小的模型。之后注意要保持導(dǎo)管不動(dòng)，因?yàn)樵诮?/p>

89、立螺旋槳的模型是適合導(dǎo)管的尺寸配合好的，所以只需要進(jìn)行對(duì)船體進(jìn)行縮放和平移等操作即可。注意在變動(dòng)菜單中可以找到縮放命令，這時(shí)候需要選擇三軸縮放以便保持船的整體形狀不變。</p><p>　?。?）把船體部分移到螺旋槳處，通過(guò)四個(gè)視圖的配合把船和槳的尺寸配合好，如圖3-2所示。</p><p>　?。?）在完成了船尾與螺旋槳的尺寸配合之后，接下來(lái)需要建立用來(lái)連接船尾與槳的軸，這時(shí)候不能夠直接

90、選擇圓柱進(jìn)行連接，必須通過(guò)擠出曲面來(lái)進(jìn)行。具體方法是輸入ExtrudCcrv指令，然后向船體方向進(jìn)行拉長(zhǎng)，盡量多拉長(zhǎng)一些，拉到船體里面去，之后將船體與與剛剛建立好的曲面取并集，這樣就完成了船體與螺旋槳的配合，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-2 尺寸配合好</p><p>　　圖3-3 尺寸配合完成</p><p>　?。?）下面介紹外部流域的建立，因?yàn)榇?/p>

91、體將在水池中進(jìn)行模擬，所以需要建立一個(gè)水池用來(lái)模擬真實(shí)的場(chǎng)景。</p><p>　　主要的方法就是通過(guò)實(shí)體菜單下選擇立方體命令，選擇通過(guò)底面中心點(diǎn)、角、高度來(lái)建立立方體，首先在top視圖中選擇底面的中心點(diǎn)，盡量選在船的中心處，為了之后劃分網(wǎng)格時(shí)比較方便一些，在top視圖中設(shè)置完立方體的底面之后，可以再front視圖中設(shè)置立方體的高，這樣就可以生成一個(gè)包含船體在內(nèi)的立方體，為了更好地模擬，長(zhǎng)度取作船體的5倍左右，寬

92、度左右均為船寬的2倍左右，然后水深設(shè)置為船吃水的4至5倍。這樣就形成了一個(gè)外部流域。由于要設(shè)置進(jìn)出口，而且目前是對(duì)船體尾部進(jìn)行模擬，所以要從船體中面處切開(kāi)，直接設(shè)置為進(jìn)水面，把水線面以上部分也切掉，之后將其設(shè)置成水面。切割的方法和之前一樣，在需要切割的地方建立切割用平面，進(jìn)行切割。全部切割完成之后把沒(méi)有進(jìn)行封閉的地方進(jìn)行封閉，然后生成實(shí)體。如圖3-4。</p><p><b>　　圖3-4 生成實(shí)體&l

93、t;/b></p><p>　　（7）完成了船槳的尺寸配合以及外流域的建立之后就可以開(kāi)始進(jìn)行船體部分的網(wǎng)格劃分了，而且之后導(dǎo)入到CFX中之后能和導(dǎo)管螺旋槳很好的配合。選中所有的物件，在文件菜單處選擇導(dǎo)出選取物件，導(dǎo)出為iges格式，然后導(dǎo)入到Pointwise中進(jìn)行劃分。這里需要注意，由于對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分的時(shí)候是需要用到很多曲線的，在Pointwise中畫曲線的話需要通過(guò)輸入點(diǎn)的坐標(biāo)，相對(duì)比較麻煩。有一種解決

94、辦法就是可以在Rhino中完成船體表面的曲線的建立。由于導(dǎo)入到Pointwise中之后database是可以人為選擇Mask來(lái)決定是否選中。所以多一些曲線是可以的，這樣建立網(wǎng)格的自由度會(huì)比較大。方法就是把全部曲面選中，在菜單欄里選擇曲線，選擇從物件建立曲線，之后抽離線框。這樣就可以把曲面建立時(shí)生成的結(jié)構(gòu)線自動(dòng)建立出來(lái)，這樣就能夠產(chǎn)生比較多的曲線，而且能夠體現(xiàn)曲面的形狀，這對(duì)于之后建立網(wǎng)格會(huì)比較有幫助。</p><p&

95、gt;　　3.2 轉(zhuǎn)子網(wǎng)格的建立</p><p>　　本次課題在螺旋槳的網(wǎng)格劃分階段使用的是IGG-AutoGrid5軟件，對(duì)于AutoGrid軟件，是作為NUMECA的FINE系列分析軟件包之一，可以后臺(tái)運(yùn)行，而且可以脫離FINE環(huán)境單獨(dú)運(yùn)行。</p><p>　　IGG：交互式網(wǎng)格生成器，可以生成任何形狀的船體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有簡(jiǎn)單的作圖功能，可以讀寫IGES格式文件，復(fù)雜的三維幾何形狀一

96、般采用Solidworks或者Pro/E生成IGES文件后續(xù)讀入比較方便。尤其利用IGG、AutoGrid自動(dòng)網(wǎng)格生成器模塊，可自動(dòng)生成任何船體結(jié)構(gòu)的H形、I形或者HOH形網(wǎng)格，采用準(zhǔn)自動(dòng)化的塊兒化技術(shù)和模板技術(shù)，生成網(wǎng)格速度、質(zhì)量均遠(yuǎn)高于其他軟件。</p><p>　　3.2.1 轉(zhuǎn)子模型的導(dǎo)入</p><p>　　首先在AutoGrid5中打開(kāi)后綴名為.trb的文件，如圖3-5所示，打

97、開(kāi)之后中間的部分即為轉(zhuǎn)子的漿軸，旁邊豎直方向的線即為流場(chǎng)的邊界。接下來(lái)將在此界面上對(duì)轉(zhuǎn)子的B2B網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，并且看一下轉(zhuǎn)子所處的流場(chǎng)情況。</p><p>　　圖3-5 在AutoGrid中打開(kāi)轉(zhuǎn)子模型</p><p>　　3.2.2 導(dǎo)管內(nèi)壁的導(dǎo)入</p><p>　　在進(jìn)行網(wǎng)格的生成之前需要對(duì)與轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)管的內(nèi)壁進(jìn)行導(dǎo)入，由于導(dǎo)管的邊界曲線是在pointw

98、ise中進(jìn)行定義的，所以需要從pointwise中將導(dǎo)管內(nèi)壁進(jìn)行導(dǎo)入，圖3-6（a）就是在pointwise中導(dǎo)管的側(cè)壁曲線圖。</p><p>　　此時(shí)并沒(méi)有顯示出導(dǎo)管內(nèi)壁的曲線，由于它是以database的形式存在，所以需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化，方法是在軟件界面右上側(cè)圖層選擇的處將database選項(xiàng)進(jìn)行勾選，然后把內(nèi)壁曲線進(jìn)行選中，如圖3-6（b）所示，選中之后在菜單欄中點(diǎn)擊Connectors on database

99、 Entities選項(xiàng)，這時(shí)database曲線將會(huì)變成曲線。之后將其進(jìn)行加點(diǎn)處理，由于過(guò)長(zhǎng)，再選中內(nèi)壁曲線之后進(jìn)行Split命令，把線截成長(zhǎng)短剛好與外壁相連接的情況。</p><p>　　圖3-6 導(dǎo)管內(nèi)壁曲線選取</p><p>　　這是我再選中曲線的情況下，將其導(dǎo)出成Segment（*dat）的格式文件，然后將保存好的文件用記事本的方式進(jìn)行打開(kāi)，這是后將會(huì)顯示曲線的點(diǎn)的信息。如圖3-

100、7所示，這時(shí)候需要將點(diǎn)的數(shù)據(jù)復(fù)制出來(lái)進(jìn)行調(diào)整，去掉其y坐標(biāo)，然后將其改成ZR坐標(biāo)的形式，這些操作將在Excel中進(jìn)行。</p><p>　　圖3-7 記事本中點(diǎn)的信息</p><p>　　將上圖中點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制到Excel中打開(kāi)，將三列數(shù)據(jù)進(jìn)行分列操作，在對(duì)話框中選擇分隔符號(hào)，之后勾選空格選項(xiàng)，然后將會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成指數(shù)表達(dá)形式。然后另起兩行，分別對(duì)z，x坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成z，r坐標(biāo)，之

101、后直接把所有的點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化完畢。如表3-1所示為轉(zhuǎn)化后的z,r坐標(biāo)數(shù)據(jù)。</p><p>　　表3-1 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化</p><p>　　將表3-1中重新生成的數(shù)據(jù)復(fù)制到記事本中，然后在上面加上指令#wall，另起一行輸入ZR，然后將文件保存即可轉(zhuǎn)化為CAD格式的曲線文件。之后再之前AutoGrid界面中選擇Import and Link CAD選項(xiàng)，在File中點(diǎn)擊open命令，這時(shí)候選擇

102、之前保存好的點(diǎn)的數(shù)據(jù)文件即可，在右擊菜單中選擇Link to shroud選項(xiàng)，這樣就將內(nèi)壁曲線導(dǎo)入到了AutoGrid中，如圖3-8，之后的下一步就是進(jìn)行網(wǎng)格的生成了。</p><p>　　圖3-8 導(dǎo)入內(nèi)壁曲線</p><p>　　3.2.3 網(wǎng)格的生成</p><p>　　轉(zhuǎn)子網(wǎng)格生成前看一下其所處的流場(chǎng)，點(diǎn)擊Generate選項(xiàng)，然后可以通過(guò)Define H

103、ub Gap For all the Blades of the Row以及Define Shroud Gap For all the Blades of the Row來(lái)分別定義漿轂和導(dǎo)管內(nèi)壁的間隙。之后點(diǎn)擊Generate B2B可以生成其流場(chǎng)。如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 轉(zhuǎn)子周圍流場(chǎng)</p><p>　　關(guān)于網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題，可以直接在軟件中進(jìn)行觀察，點(diǎn)擊Genera

104、te 3D，這時(shí)候?qū)?huì)彈出一個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量圖，從這個(gè)圖上可以看出網(wǎng)格的Skewness Angle、Aspect Ratio、Expansion Ratio等。如圖3-10。</p><p>　　在網(wǎng)格的質(zhì)量檢測(cè)基本符合經(jīng)驗(yàn)要求時(shí)，可以將其帶出成Plot 3D格式，然后導(dǎo)入到Pointwise進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件等工作了。</p><p>　　圖3-10 螺旋槳網(wǎng)格質(zhì)量</p>

105、;<p>　　將在AutoGrid中編輯生成的轉(zhuǎn)子網(wǎng)格導(dǎo)入之前需要改一下精度，在File菜單下選擇Properties命令，然后將Node和Connectors后面均改成0.000001，其值的大小與模型的精度有關(guān)，,之后開(kāi)始導(dǎo)入之前的導(dǎo)出文件，然后將其導(dǎo)入到Pointwise之后如圖3-11（a）所示，這時(shí)候生成的是四分之一的轉(zhuǎn)子，需要對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制，在復(fù)制之前先對(duì)其中兩個(gè)槳葉面和一個(gè)周期性面一共三個(gè)表面網(wǎng)格進(jìn)行分割，