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船用螺旋桨的参数化建模及数控加工
| 论文题名： | 船用螺旋桨的参数化建模及数控加工 |
| 关键词： | 船用螺旋桨;优化设计;参数化建模;数控加工 |
| 摘要： | 船用螺旋桨是船舶动力系统的核心，其桨叶曲面是典型的自由曲面，设计和加工的质量直接影响螺旋桨的性能，而螺旋桨复杂的工作环境也对其建模及制造精度提出了更高的要求。船用螺旋桨从设计到加工的过程复杂繁琐、周期较长，因此需要建立能够综合考虑螺旋桨设计、分析以及加工的螺旋桨参数化数学模型，并基于参数化模型对螺旋桨开展后续各项研究工作，以达到缩短螺旋桨的设计制造周期、提高生产效率的目的。 本文以实现螺旋桨参数化设计到数控加工为目的，建立了螺旋桨桨叶曲面的参数化方程，基于参数方程求解所得点建立了螺旋桨三维实体模型；以提高螺旋桨敞水效率为目的，对螺旋桨相关结构参数进行优化并进行了水动性能仿真；分析并制订了螺旋桨数控加工工艺，基于参数化模型编写了数控加工程序并进行了数控加工仿真与实验。具体内容如下： 在分析船用螺旋桨结构及成型原理的基础上，建立螺旋桨切面参数方程并推导了二维切面到三维空间的坐标转换公式，建立了桨叶曲面的参数化数学模型。求解方程得到桨叶表面指定精度下的数据点，将其导入UG中建立三维实体模型。对比传统由型值点所建立的螺旋桨模型，参数化方法建立的模型表面光顺性更优。 以螺旋桨最大敞水效率为目标，对螺旋桨盘面比、螺距比和进速系数等参数进行优化，得到了螺旋桨给定工况下的最佳匹配参数，优化后螺旋桨敞水效率提高了约3.18%。对螺旋桨进行了水动性能仿真，验证了优化桨的敞水效率；分析了螺旋桨相关参数纵倾角和侧斜对螺旋桨敞水性能的影响。 分析螺旋桨的数控加工工艺，对加工阶段进行了划分，确定了毛坯、刀具、走刀方式等。判断加工中干涉与过切情况，建立了刀具与工件间几何关系，研究了无干涉的刀具路径算法，基于桨叶的参数化数学模型计算了粗精加工的刀具轨迹，并通过后置处理将刀位信息转化为数控加工程序。建立数控加工仿真环境，导入数控加工程序进行了数控加工仿真，仿真结果验证了刀具轨迹及数控程序，且螺旋桨获得较好的精度和表面质量。最后在五轴数控机床上进行了加工实验。 本文所建立的参数化模型，在螺旋桨优化分析及数控加工中均取得了较好的效果。基于参数化数学模型的数控加工方法，对在一定参数范围内的螺旋桨，修改参数即可获得数控加工程序，具有较大的工程应用前景。 |
| 作者： | 朱星辰 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 苟向锋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津工业大学 |
| 学位年度： | 2020 |
| 正文语种： | 中文 |
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