沿螺旋桨桨叶流体运动方向切削加工的刀具路径规划

摘要

螺旋桨是大型轮船、潜艇等重型动力机械的核心部件，其性能的好坏直接影响甚至是决定着整机的性能。螺旋桨的噪声和振动影响着船舶的行船安全、影响乘客的环境舒适度，严重影响潜艇的隐蔽性。螺旋桨在数控加工后会留下刀痕等表面缺陷。表面缺陷会影响螺旋桨表面的局部流体流动，在近桨叶表面容易产生不稳定流动，较容易引发叶片的振动和噪声。依据流体机械表面缺陷的方向与流体流线方向垂直时这种影响最大，平行时影响最小。通过螺旋桨加工的刀具路径规划结合工作情况下的流场分析，规划出与螺旋桨桨叶表面流线吻合的加工刀具路径，使加工后的桨叶具有更高的工作适应性，达到减震降噪的目的。
　　本文所述的基于流场分析的螺旋桨加工刀具路径规划，首先从螺旋桨的三维建模相关技术入手，分析螺旋桨的设计、图纸、建模前期准备工作，计算得出建模可用的型值点三维坐标点，通过分析三维建模原理结合螺旋桨结构特性，进行三维建模，主要步骤包括：型值点的导入、桨叶曲面的生成、桨毂的创建和实体化，提出了螺旋桨三维建模的一些改进。螺旋桨的CFD流体分析先要进行流场计算域的建立和网格划分，网格离散类型为结构性网格和非结构性网格，本文中将计算域划分为非结构性网格，设置边界条件、求解器和计算参数后完成流场分析，并得出桨叶表面的三维流场图。
　　刀具路径规划先要进行加工区域的划分，将桨叶表面划分为随边和叶背、导边和叶面两个区域，另外还有桨毂和叶根部分。随边和叶背工作时并没有收到高压，其加工刀具路径采用参数线法以获得较高的计算速度，桨毂部分采用螺旋线方向的走刀方式。导边和叶面区域因为受到高压的作用，加工后表面的不平滑性对工作性能的影响严重，使加工刀具路径方向与桨叶表面流线方向一致，从而减小加工表面不平滑性对工作性能的影响，从而达到减振降噪的目的。
　　螺旋桨与流体的相对运动是螺旋桨的旋转运动与舰船的行驶运动的叠加，螺旋桨工作时在桨叶表面会形成了压力梯度，桨叶表面不同方向会有不同的压力梯度，压力梯度的存在导致了二次流、间隙流、漩涡的产生，造成了螺旋桨工作的不平稳和噪声，对船舶乘客的乘坐舒适度和舰艇的隐蔽性造成了不良影响。本文所述的加工刀具路径规划方法针对流体机械的结构特点和工作时桨叶表面的流体运动方向，将螺旋桨叶片的加工与设计环节和工作情况相结合，在加工刀具路径的规划中考虑了桨叶表面的流体运动方向，规划出与流体运动方向相吻合的叶面加工刀具路径，降低了加工后桨叶微观不平滑度对流体流动稳定性的影响，使加工出螺旋桨在工作时更加平稳和安静。

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英文摘要

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 论文架构及全文介绍

2 螺旋桨三维建模

2.1 螺旋桨概述

2.2 螺旋桨结构

2.3 螺旋桨三维建模基础

2.4 螺旋桨三维建模

2.5 本章小结

3 螺旋桨计算流体动力学（CFD）分析

3.1 流体力学及计算流体动力学基础

3.2 流场计算域的建立

3.3 划分网格

3.4 设置边界条件

3.5 求解器的选择及计算参数的设置

3.6 本章小结

4 沿桨叶流体运动方向的螺旋桨加工刀具路径规划

4.1 螺旋桨五轴数控加工

4.2 沿桨叶流体运动方向的加工刀具路径规划方法

4.3 沿桨叶流体运动方向的螺旋桨加工刀具路径规划

4.4 后置处理

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间研究成果