基于UG的螺旋桨的曲面造型开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告题目基于UG的螺旋桨的曲面造型专业名称机械设计制造及其自动化班级学号068105303学生姓名吴苑指导教师于斐填表日期2010年3月1日一、选题的依据及意义：螺旋桨是船泊动力系统中的一个重要零件，自从蒸汽机出现以后，它就开始应用于船舶上并成为了海船的主要推进形式。螺旋桨是一种典型的自由曲面零件，它的曲面形状和制造精度直接决定了船泊的推进效率和噪音的大小，而其曲面造型的研究将有助于提高该类零件的加工精度和加工效率1。由于它形状复杂，而且各个桨叶可能互相覆盖，导致其加工费时、费力，加工精度和效率难以提高。螺旋桨的加工实际上就是对自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是机械加工领域的难点，同时也是该领域的研究热点。自由曲面之所以难以加工是由其本身的几何特点所决定的。自由曲面是不能由初等解析曲面组成，而是以复杂方式自由变化的曲面。这类曲面单纯用画法几何与机械制图是不能表达清楚的。所以这就要求我们寻求新的既方便有合理有效的曲面造型方法。在科学技术不断发展的今天，采用UG给螺旋桨造型越来越凸显出它方便，直观，具体化的优势，成为螺旋桨造型的最主要方式之一。所以，对基于UG螺旋桨的三维造型的研究意义重大，它是国家航海及造船技术的标志之一。而且我国在这个领域起步较晚，具有很大的研究发展空间，因此选此课题进行设计与研究。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：古代的车轮，即欧洲所谓“桨轮”，配合蒸汽机，将原来桨轮的一列直叶板斜装于一个转毂上。构成了螺旋桨的雏型；古代的风车，随风转动可以输出扭矩，反之，在水中，输入扭矩转动风车，水中风车就有可能推动船运动。在当时，已经使用了好几个世纪的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式结构能打水这一事实，作为推进器是重要的启迪。在科学技术发展过程中，许多机械装置的性能在人们还不太清楚的时候，就已经广泛使用了。但是人们在不完全理解它的物理规律和没有完整的理论分析以前，这些装置很难达到它的最任性能。螺旋桨也不例外，直到1860年，虽然它在海船上已经成为一枝独秀，但是它的成就全都是依靠多年积累的经验。螺旋桨的进步，只依靠专家们的直观推理，已经不能满足船舶技术的发展需要，它有待科学家对其流体动力特性做出完整的解释，这就促使螺旋桨理论的发展。船用螺旋桨是船用推进器中效率比较高，应用最广的一种，其主要功用是使船舶前进和后退，有时也协助船舶回转。船舶的性能主要取决于该船的船型、主发动机和螺旋桨三大因素。而螺旋桨的推进效率又主要取决于螺旋桨桨叶的设计与制造螺旋桨通常由桨叶和桨毅两部分组成，而桨叶又分为叶面和叶背。叶面的中间区域通常采用等螺2距螺旋面或变螺距螺旋面设计，而导边和随边处则采用流线型设计；叶背则是根据不同半径处的切面厚度来决定的2。因此，它的设计和制造相对于常规机械零件复杂得多。通常给出螺旋桨的设计数据后，首先要对螺旋桨造型，所涉及的就是自由曲面的造型问题。曲面造型的好坏，直接决定了其加工质量。而自由曲面的造型属于CAGD(计算机辅助几何设计)学科领域3。当前曲面造型的主流方法之一就是B样条方法(basicspline)。根据给定的船体型值点，以三次非均匀B样条为光顺函数，采用整体光顺方法，以应变能最小、曲率变化均匀为准则，以控制点为未知量，建立最优化问题的约束方程并求解，实现船体曲线的光顺。根据曲线的相对曲率线图，将优化后的光顺B样条船体曲线与插值B样条曲线、传统最小二乘法逼近曲线进行了比较。构循规蹈矩本曲面，以UV方向上的单参数曲线族或站线、水线、纵剖线方向的截面曲线族为研究对象，以曲线族的应变能之和最小为准则，进行光顺处理，最后，以NURBS为统一数学表达式，根据光顺后得到的控制点网络，应用双三次非均匀有理B样条得到光顺的船体曲面。船体的外形较为复杂,其形状的变化直接影响船舶的性能指标，建立精确的几何模型是设计高质量船舶的基础。而船体曲面的计算机表达是对船体曲面进行设计、相关性能分析与计算以及后续CAM实现的必要基础.船体曲面是具有双曲度的相当复杂的空间曲面，不能用规则的解析曲面进行描述,因此如何更加合理地运用数学方法来表达船体曲面形状一直是造船界追求的关键目标之一。非均匀有理B样条(NonUniformRationalBSpline,NURBS)曲面造型方法能够同时表达自由曲线曲面和解析曲线曲面,故已成为船体曲面造型的研究热点。曲面造型是计算机图形学和计算机辅助几何设计(ComputerAidedGeometricDesign)的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析4。它起源于飞机、船舶的外形放样工艺，由Coons、Bezier等大师于六十年代奠定理论基础。经三十多年发展，现在它已经形成了以Bezier和B样条方法为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值(Interpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Approximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。我国学者在曲面造型技术的开发中投入了艰巨的劳动，取得了显著的成绩。其中值得提出的有复旦大学对参数曲线分类及形状控制的研究和对多元散乱数据逼近拟合的研究，中国科技大学对Bezier曲面凸性条件的研究和对隐式曲面算法的研究，浙江大学对曲面几何连续拼接理论的研究和对曲面几何逼近方法的研究等。以上学术成果已在国际计算机图形界占有重3要的一席之地5。随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢的趋势的日益明显，随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快，随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善，曲面造型在近几年来得到了长足的发展。这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新6。从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面位差。从表示方法来看，以网格细分(Subdivision)为特征的离散造型与传统的连续造型相比，大有后来居上的创新之势7。而且，这种曲面造型方法在生动逼真的特征动画和雕塑曲面的设计加工中如鱼得水，得到了高度的运用。计算机辅助几何设计是随着航空、汽车等现代工业发展与计算机的出现而产生与发展起来的一门新兴学科。它的主要目的就是用数学方法唯一地定义自由型曲线曲面的形状，将形状信息从模拟量传递改变为数值量传递。通过它提供的方法，就可建立相应的曲线曲面方程即数学模型，并在计算机上通过执行计算和处理程序，计算出曲线曲面上大量点及其它信息。期间，通过分析与综合就可了解所定义形状具有的局部和整体的几何特性。以下是CAGD的大致发展过程，从这个发展过程可以看出B样条方法的优势所在。1963年美国波音飞机公司的弗格森(Ferguson)首先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法。他最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和由四角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的弗格森双三次曲面片。1967年，美国麻省理工学院(MIT)的孔斯(Coons)提出了孔斯双三次曲面片。它与弗格森所采用的曲线曲面片的区别在于将角点扭矢由零矢量改取为非零矢量。但两者都存在形状控制与连接问题。1971年法国雷诺(Renault)汽车公司的贝齐儿Bezier)提出了由控制多边形定义曲线的方法。它简单易用，很好地解决了整体形状控制问题，但仍有局部修改问题8。1974年美国通用汽车公司的戈登(Gordon)和里森费尔德(Riesenfeld)将B样条理论应用于形状描述，提出了B样条曲线曲面9。它几乎继承了贝齐儿方法的一切优点，克服了贝齐儿方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，而且在参数连续性基础上解决了连接问题。由此可见，B样条方法是在不断解决实际造型问题的基础上产生发展出来的，因此它具有表示和设计自由型曲线曲面的强大功能，成为了最广泛的形状数学描述的主流方法之一10。在产品的开发及制造过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但是，由于种种原