环绕式变距无轴推进器设计与初步试验研究.docx

1、环绕式变距无轴推进器设计与初步试验研究Designandexperimentalstudyofsurrounded-adjustablerimdriventhrusters第二章环绕式变距无轴推进器的原理2.1引言本章主要描述环绕式变距无轴推进器的背景技术、原理、技术方案和优势。其中非常具体的阐述了环绕式变距无轴推进器的技术方案。2.2环绕式变距无轴推进器的背景技术现有技术中定距螺旋桨推进是实现水面和水下船舶航行推进方式的现有技术之一，定距螺旋桨虽然结构简单，经济安全，但它不能在各种工况下充分发挥其作用，实践证明定距螺旋桨成了卡住船舶进一步提高航速等性能的重大障碍，为了满足现代船舶大型化、高速

2、化的需求，极需一种具有强劲推进力，并且能节省能源，工艺结构设计合理的船舶航行推进装置，来取代现在广泛采用的定距螺旋桨推进装置。然而变距螺旋桨作为一种新型的推进系统，在船舶推进器中所占的比重逐年扩大,传统的变距螺旋桨推进器尺寸都比较小，为达到一定推力，转速高，增加了空泡效应，使螺旋桨腐蚀加快。2.3环绕式变距无轴推进器的原理概述环绕式变距无轴推进器特征在于，包括设于水下航行体体周的固定支架，设于固定支架上的驱动电机，与驱动电机输出端固定连接的转动支架，若干个设于转动支架上的驱动磁铁，以及设于转动支架外侧、并通过从动支架与驱动电机输出端转动连接的浆毂；在所述浆毂外侧通过舵机固定有8个浆叶，在浆毂内

3、侧设有若干个与驱动磁铁一一对应设置的从动磁铁，驱动电机带动转动支架上的驱动磁铁转动，同时驱动磁铁和从动磁铁间的磁力带动浆毂上的桨叶旋转；本发明的优点在于，本发明通过舵机改变桨叶的方向，从而改变螺距，实现快速倒车而避免采用反转机构，可以保证驱动电机在任何工况下发出全功率，大大增加了船舶的机动性和经济性。图2-1推进器原理图2.3环绕式变距无轴推进器的发明目的提供一种加大了螺旋桨的尺寸，使其环绕于体周，且可调节螺距角，实现转向、升沉和侧移，进而提高螺旋桨的推进效率的环绕式变距无轴推进器。2.4环绕式变距无轴推进器的技术方案环绕式变距无轴推进器包括设于水下航行体体周的固定支架，设固定支架上的驱动电机

4、，与驱动电机输出端固定连接的转动支架，若干个设于转动支架上的驱动磁铁,以及设于转动支架外侧、并通过从动支架与驱动电机输出端转动连接的浆毂；在浆毂外侧通过舵机固定有若干个浆叶，在浆毂内侧设有若干个与驱动磁铁一一对应设置的从动磁铁，驱动电机带动转动支架上的驱动磁铁转动，同时驱动磁铁和从动磁铁间的磁力带动浆毂上的桨叶旋转。转动支架上设有激光信号发射装置，在浆毂内侧设有与激光信号发射装置对应设置的激光信号接收装置。驱动磁铁和从动磁铁均选自N极或S极磁铁，且支架上的N极、S极磁铁和浆毂内侧的N极、S极磁铁均交替布置。浆毂内还包括设于浆毂内的单片机，单片机控制舵机。转动支架由若干个一端与驱动电机输出端固定

5、连接、且径向设置的连杆组成，驱动磁铁固定于连杆的另一端上。浆毂外侧设有8个桨叶。驱动电机为伺服电机。浆毂外表面呈流线型设置。图2-2本发明结构主视图（左上）、结构后视图（右上）和结构立体图（下）1固定支架，2马区动电机，3转动支架，4马区动磁铁，5从动支架,6浆毂，7舵机，8浆叶，9激光信号发射装置，10激光信号接收装置。2.5环绕式变距无轴推进器的优点1. 本发明通过舵机改变桨叶的方向，从而改变螺距，实现快速倒车而避免采用反转机构，可以保证驱动电机在任何工况下发出全功率，大大增加了船舶的机动性和经济性；2. 本发明浆毂和艇体完全独立，浆毂及艇内各部件分开设置，方便拆装、检修、维护；3. 本发

6、明噪音小可应用于军事领域，亦可运用于潜艇辅助动力、潜艇救援、海洋打捞，在航行体内搭载海洋传感器（热电偶、盐度计、浊度计、溶解氧传感器等），可应用于海洋探测等许多方面；4. 本发明还可以应用到水下观测网络中，作为网络节点，进行探测，合理设置通讯模块，采用多个推进器组成团队，协同作业也是未来作品发展的良好前景。2.6本章小结本章通过描述环绕式变距无轴推进器的背景技术、原理概述、技术方案和优点具体地说明了环绕式变距无轴推进器的构造和运行方式，为模型制作提供了技术的支持和理论的铺垫第三章环绕式变距无轴推进器的设计方案确定3.1引言本章主要根据无轴轮缘推进器和可变距推进器的工作原理和结构特点，找到其优点

7、和缺点。得到相应结论，同时构思初步设计方案。根据实际确定本模型的最终设计方案和运行原理。3.2设计方案初定3.2.1结构设计方案方案初定是模仿无轴轮缘推进器的工作原理，结合变距桨的工作原理进行设计和制作。方案初定将浆毂设于水下艇体的体周，艇体内侧设电磁铁，利用步进电机的原理,通过磁铁磁性带动浆毂转动，在浆毂上安装舵机，其上安装桨叶。为了使水下艇能够更好的浮沉，在艇首和艇尾各安装一只压载水箱，以便让推进器更好的工作。3.2.2运动设计方案推进器总体有两种运行状态：1、通过改变所有桨叶的角度，可以在浆毂旋转速度一定的条件下改变速度和航向，可在不同工况下输出最大功率。2、通过改变一侧桨叶的角度，可以

8、实现艇体在水下的转向、浮沉、侧移。3.3基于Fluent软件的流体仿真3.3.1仿真前数据收集基于模型的运行以及试验的可行性，将浆毂的转速暂定为60rpm,即1秒1圈。筒体拟采用直径120mm的管体，桨叶拟采用NACA0010的翼型，弦长70mm。图3-1利用软件导出NACA0010的翼型数据332Gambit模型绘制和网格划分利用Gambit软件绘制桨叶，并调整桨叶的角度，来模拟桨叶在不同攻角下的状TQjTO图3-2利用Gambit软件绘制桨叶（20°攻角）攻角从20。开始计算，先以10。进行递增，根据Fluent数值模拟结果的趋势增加中间值。饮|厅|3|仲|密|Transcrip

9、tDescnption7Command:default_id4564Lokdefaultid4S64.trnXGAMBITSolver：FLUENT5/6ID：defdult.id4564GRAPHICSWINDOV-UPPERLEFTQUADRAllTOperation同蠲|觐仃叫GeometryActive田1EB1*1Efl1刨1叵«ffil旦El回1GlobalControl图3-3利用Gambit软件进行网格划分3.3.3Fluent数值模拟利用Fluent软件对已经网格划分的不同攻角桨叶进行数值模拟，来流速度为0.5m/so表2-1通过Fluent数值模拟的结果角度(&#

10、176;)升力(N)阻力(N)升力系数阻力系数20127.5541.20208.2567.2730151.2078.24246.86127.7435153.6999.33250.93162.1740164.27129.01268.20210.6241149.50119.87244.08195.7043157.08126.49256.46206.5245126.33110.14206.26179.8150107.64111.95175.73182.773.3.4仿真结果数据处理对Fluent数值模拟的结果进行处理得到最佳升力时的攻角。根据Fluent数值模拟结果绘制折线图和趋势线。升阻力和升阻力

11、系数随攻角变化趋势如图3-4所示。180.00160.00140.00180.00160.00140.00120.00100.0080.0060.0040.0020.000.00升力阻力多项式（升力）多项式（阻力）0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.00角度角度图3-4升阻力及其系数随攻角变化趋势图由图3-4中的趋势可以得到结：论当桨叶在40°左右时升力最大，小于40°时升力随攻角的增加而增加，当大于45°时升力随攻角的增加而减小。3.4结构设计3.4.1初步结构设计由于电磁铁制作困难且技术难度高，初步方案采用步进电机带动艇内磁铁旋转支

12、架，通过磁性带动艇外的浆毂以及桨叶；压载水舱采用活塞式，通过步进电机带动活塞吸有E水。图3-5为外形和内部结构初步设计图的前半部分，后半部分相似。图3-5外形和内部结构初步设计（前半部分）1艇体外壳，2前端盖，3吸排水口，4前端盖固定螺丝孔，5活塞，6丝杆，7联轴器，8步进电机，9步进电机固定支架，10艇内磁铁旋转支架，11桨叶，12艇内外磁铁，13艇外桨叶轨道3.4.2结构设计的确定根据模型制作的实际环境，其中包括现有设备，技术能力，材料选购，确定设计方案。在上代推进器制作过程中发现带动磁铁旋转支架的步进电机力矩不足，且驱动板发热严重，故改用减速电机，这样减少了控制的难度，还大大增加了力矩。

13、考虑到防水及电路布置等问题，将原先布置在浆毂内的舵机改装到艇内磁铁旋转支架上，步进电机固定支架为旋转支架上的舵机及控制电路供电，信号通信采用艇内无线通信。考虑到艇内空间有限，故艇内不设电池等蓄电设备，电源由岸边12V开关电源将220V交流电稳压到12V直流电后通过电缆接入艇内。3.5结构设计的合理性计算针对环绕式变距无轴推进器模型的结构设计进行理论计算，并将设计进行优化。主要对艇体浮力和推进器重量进行探究。现艇体长为1000mm,艇体直径为120mm,计算得船体的体积为0.011304m3。根据公式F浮=p四排，计算得艇体所受浮力约为F=113.04N,因此当压载水舱内注满水时艇体总重力必须等

14、于113.04N。表3-2模型重量估计名称数量估算重量(g)压载水舱2600电机+旋转支架2900浆毂2200艇体1900控制电路1200总计：4500根据计算模型内结构重量小于浮力，因此结构设计合理，而且还需要约6.7kg的压载，拟选取沙袋作为压载物。3.6本章小结本章通过根据无轴轮缘推进器和可变距推进器的工作原理和结构特点，初步确定了模型的设计方案及运行原理。根据初定设计方案进行桨叶数值计算和初步结构设计,并根据实际，进一步改进设计方案，确定结构设计。再对结构设计进行合理性计算，最终确定环绕式变距无轴推进器模型的总体设计及运行原理。摘要环绕式变距无轴推进器是一种环绕于水下艇体，且不需要舵设

15、备的推进器，其依靠螺距的改变来改变速度大小和方向，还能有一些特殊航态。其结合了变距推进器的优势，也拥有无轴轮缘推进器的优势。主要用于水下运输和水下观光，未来还带算运用于水下救援和水下维修。本文主要运用变距推进器和无轴轮缘推进器的工作原理完成了环绕式变距无轴推进器的设计和模型制作，并通过预先设定的程序使模型完成直线航行、曲线航行和侧移等航态。首先根据其原理完成了环绕式变距无轴推进器的设计方案。其次完成模型的制作，制作过程包括压载水舱模块、动力模块、艇体和电气四大部分。最后完成了环绕式变距无轴推进器模型的制作、试验以及改进。关键词：变距桨；无轴推进器；轮缘推进器；环绕式；水下推进器第四章环绕式变距

16、无轴推进器模型的试验准备!1!4.1引言本章详细具体地介绍了环绕式变距无轴推进器模型各个部分的制作过程，初步形成环绕式变距无轴推进器模型，为下一步的试验及改进做准备。4.2模型制作材料的选择及确定4.2.1模型制作材料的选择(1) PVC管PVC管硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯树脂与稳定剂、润滑剂等配合后用热压法挤压成型，是最早得到开发应用的塑料管材。PVC-U管抗腐蚀能力强、易于粘接、价格低、质地坚硬，但是由于有PVC-U单体和添加剂渗出，只适用于输送温度不超过45°C的给水系统中。塑料管道用于排水，废水，化学品，加热液和冷却液，食品，超纯液体，泥浆，气体，压缩空气和真空系统的应用。图

17、4-1PVC管材特点：1、具有较好的抗拉性能和抗压强度，但其柔性较差。2、PVC管材的管壁非常光滑，其对流体的阻力很小。3、PVC管材具有非常好的耐酸性、耐碱性、耐腐蚀性。4、PVC管材安装方便，不论采用胶水粘接还是橡胶圈连接，均拥有良好的水密性。（2）ABS板、ABS棒ABS塑胶原料树脂（丙烯月青-苯乙烯-丁二烯共聚物,ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母缩写）是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构。ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS,SAN,BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能。ABS工

18、程塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。ABS树脂耐水、无机盐、碱和酸类，不溶于大部分醇类和炷类溶剂，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代炷中。ABS树脂保持了苯乙烯的优良电性能和易加工成型性，又具有丁二烯的特性弹性好、强度高，还具有丙烯腊的优良性能耐热和耐腐蚀性好，且表面硬度高、耐化学性好，同时通过改变上述三种组分的比例，可改变ABS板材的性能，故ABS工程塑料具有广泛用途，主要用于机械、电气、纺织、汽车和造船等工业。ABS模型改造板15-fj0510U2.03.0SOS.0/KM图4-2ABS圆棒（左）和ABS板（右

19、）特点：1、ABS综合性能比较好，冲击强度较高，化学稳定性和电性能良好。2、ABS具有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等优良特点。3、ABS流动性不是很好，但柔韧性非常好。（3）亚克力透明管、亚克力透明板亚克力，又叫PMMA或有机玻璃，源自英文acrylic（丙烯酸塑料），化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯。是一种开发较早的重要可塑性高分子材料，具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性、易染色、易加工、外观优美，在建筑业中有着广泛的应用。有机玻璃产品通常可以分为浇注板、挤出板和模塑料。亚克力具有质轻、价廉，易于成型等优点。它的成型方法有浇铸，射出成型，机械加工、热成型等。尤其是射出成型，可以大批量生产，制

20、程简单，成本低。因此,它的应用日趋广泛，它广泛用于仪器仪表零件、汽车车灯、光学镜片、透明管道等。图4-3亚克力透明板（左）和亚克力透明管（右）特点：1、具有很好的透明度，透光率在92%以上，视觉清晰、光线柔和，着色的亚克力也有很好的展色效果。2、亚克力板具有极佳的耐候性、较高的表面硬度和表面光泽，以及较好的高温性能。3、亚克力板有良好的加工性能，既可采用热成型，也可以用机械加工的方式。4、透明亚克力板材具有可与玻璃比拟的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它不像玻璃那么易碎，即使破坏，也不会像玻璃那样形成锋利的碎片。5、亚克力板的耐磨性与铝材接近，稳定性好，耐多种化学品腐蚀。6、亚克力板具有良

21、好的适印性和喷涂性，采用适当的印刷和喷涂工艺，可以赋予亚克力制品理想的表面装饰效果。7、亚克力板不会自燃，但其属于易燃品，且不具备自熄性。(4) PLA聚乳酸(PLA)是一种新型的生物基及可生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。聚乳酸的热稳定性好，加工温度170230°C,有好的抗溶剂性，可用多种

22、方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装、建筑业、农业、林业和医疗卫生等领域。图4-4PLA3D打印材料PLA作为3d打印的优势：1、打印熔融时的气味适宜，没有像ABS的刺鼻气味。2、材料刚度好，打印出来的硬度好，强度好，作为结构件经久耐用。3、熔点比ABS低，流动较快，不易堵塞喷嘴。4、本身是透明材料，调色做出来效果鲜艳，富有光泽。4.2.2模型制作材料的确定通过对PVC管和亚克力透明管优缺点进行比较，

23、根据实际制作设备、制作能力、制作水平等因素的考虑，模型制作材料使用如下：(1) 艇体外壳：亚克力透明管材原因：用透明管便于观察内部结构，且PVC是会变色的，硬度也没有亚克力的高。(2) 内部型材：ABS板材、亚克力透明板材原因：简单平面结构或由平面结构粘接得到的结构可以用亚克力透明板材制作。通过学院的激光雕刻机可对亚克力透明板材进行精准切割；电机附近的板材由于受到很大的震动，故采用ABS板材制作。通过学院的数控3D雕刻机可对ABS板材进行精确切割。图4-5数控3D雕刻机图4-6数控激光切割机桨叶、旋转支架等立体结构：PLA、ABS3D打印原因：艇内很多细小结构不易线性加工，而且轴孔要求的精度比

24、较高，故采用学校3D打印机打印制作。图4-73D打印机4.3压载水舱模块的制作过程环绕式变距无轴推进器模型采用活塞式压载水舱，打算采用PVC管做外壳，橡胶圈做防水的活塞，但经过样品制作后发现阻力很大，而且有渗漏的现象，故放弃了这种做法。因此，采用4支成品80ml针筒作为压载舱主体。115wwwvcsW>XW>XWW>XWW>XW»»»>»»5rz22222222222>1R2步进电机5530图4-8压载水舱CAD设计图图中：(1) 绿色所示的是80ml针筒，直径36mm,截取55mm，保留橡胶活塞。(2) 红

25、色所示的是步进电机，其型号为17HD2447-01N,尺寸为42*42*40mm,轴长12mm,直径5mm。图4-9雕刻机工程文件制作时，两针筒并排间距8mm,其上下各粘一张74*30*4mm的ABS板（图4-9中板1和2）来固定，为了防止脱胶和滚动，在每个针筒和板接触的角落与针筒平行粘一根中3*50mm的ABS圆棒（图4-8中青色所示）。针筒靠近端盖的一段上下粘一张尺寸52*10*5mm的板条，来增加针筒与端盖的连接强度。粘接时都是先用ABS专用胶粘接，干燥牢固后再刷一层502胶水以加固。针筒与步进电机连接时采用上下都粘板的形式，以增加其刚度。上下板的尺寸分别为115*52*4mm、136*

26、52*4mm。针筒活塞推柄的末端固定一张粘有4mm螺母的活塞连接板（图4-9中板5）。步进电机使用电机支撑板（图4-9中板3）靠四颗中3的固定螺丝固定。中4丝杆（图4-8中蓝色所示）通过联轴器与步进电机轴连接，末端依靠针筒间的支撑挡板（图4-9中板4）支撑，保证其同轴性，减少晃动。图4-10压载水舱模块成品1联轴器，2螺母，3活塞与端盖粘接，4限位开关，5活塞连接板，6活塞（针筒）吸排水时，电机给旋转信号，丝杆旋转，带动活塞连接板移动，活塞移动，水舱的重量改变，达到压载水舱的功能。4.4动力模块的制作过程动力模块是环绕式变距无轴推进器模型的核心部件，其精度要求较高，因此制作前将各个部分都在Pr

27、o/E软件中画出，并且进行组合，确保匹配。动力模块的Pro/E组件装配图如图4-11所示。图4-11动力模块装配图4.4.1艇内部分的制作过程艇内包括减速电机、舵机、电机连接接头（图4-11中紫色部分）、旋转支架（图4-11中黄色部分）、磁铁支架（图4-11中红色部分）、电路。图4.12艇内部分结构图（1）艇内旋转支架旋转支架的主要作用：1、连接艇内电机；2、支撑舵机；3、支撑磁铁。旋转支架的主要组成：1、磁铁支撑；2、舵机支撑；3、电路板支撑柱。旋转支架的Pro/E零件三视图如图4-13所示。图4-13旋转支架三视图及立体图通过装配和整体协调确定了旋转支架的结构，并利用学校3D打印机使用PL

28、A材料制作。图4-14正在3D打印中的旋转支架（上）和成品（下）图4.15旋转支架结构说明1舵机安装平台，2磁铁安装槽，3电路板安装螺丝孔，4舵机安装平台支撑板,AbstractWraparoundvariablepitchpropellershaftisasurroundintheunderwaterhull,anddoesnotrequirearudderpropeller,whichreliesonthepitchchangethemagnitudeanddirectionofvelocity,stillcanhavesomespecialnavigationstate.Itcombin

29、estheadvantagesofvariablepitchpropeller,alsohasanadvantageofpropellershaftflange.Mainlyusedforunderwatertransportandunderwatertourism,thefutureisalsousedforunderwaterrescueandunderwaterrepair.Inthispaper,theuseofvariablepitchpropellerandshaftflangepropellerworkscompletedawraparoundvariablepitchprope

30、llershaftdesignandmodelmaking,andthatcausesthemodeltocompletethelinenavigation,navigationcurveandlateralshiftnavigationstatebypresetprograms.Accordingtoitsprinciple,thedesignschemeofthesurroundtypevariablepitchpropelleriscompleted.Secondly,modelmaking,theproductionprocessincludingballastwatertankmod

31、ule,powermodule,hullandelectricalfourparts.Attheendoftheexperiment,themanufacturing,testingandimprovementofthemodelofthesurroundtypevariablepitchpropellerarecompleted.Keywords：CCP(controllablepitchpropulsionplant);shiftlessrim-driventhruster;surrounded;Thruster5磁铁安装槽支撑板，6旋转支架固定螺丝孔(2) 电机接头电机接头用来连接电机和

32、旋转支架。中间通孔直径和电机轴相同，侧壁上留有紧径螺丝孔。圆盘与连接柱相接部位有倒角。圆盘上留有和支架上对应的固定螺丝孔。电机接头的Pro/E零件三视图如图4-16所示。图4-16电机接头三视图及立体图通过装配和整体协调确定了电机接头的结构，并利用学校3D打印机使用PLA材料制作。112345图4-17制作完成的电机接头1电机轴孔，2电机轴紧径螺丝，3旋转支架固定螺丝孔，4旋转支架固定平面，5倒角磁铁支架磁铁支架的作用是连接磁铁和舵机。艇内外的磁铁支架依靠磁性相互对应，将舵机的转动传递到桨叶上。磁铁支架的Pro/E零件三视图如图4-18所示。图4-18磁铁支架三视图及立体图通过装配和整体协调确

33、定了磁铁支架的结构，并利用学校3D打印机使用PLA材料制作。5434图4-19制作完成的磁铁支架1磁铁，2磁铁安装槽框，3舵盘，4舵机连接螺丝，5舵盘固定螺丝(3) 电路每个动力模块使用1个ArduinoNanoV3.0平台板，其搭载了ATMEGA328P单片机。通信使用2.4GHzZigbee无线串口模块。由于艇体内空间有限，手工在洞洞板上制作比较困难切非常容易出错，故选择了在DXP2004中绘制电路板，再发工厂印刷电路板。dlldpC'VCC_|Cap220C3VCCCap220C1VCC5v|bdlivccf|2VCC|2VCC|2D101vcc|23Header3dj43Cap

34、220VCCwcinPlugHeadersHeader3Header3图4-20电路板原理图C3OD叵1。苛&oooooo0oooooooooooooo图4-21电路板布线图设计时电路板上已经预留了螺丝孔和Arduino平台板、Zigbee无线串口模块接口。电路能够控制4只舵机（通过dj1-dj4口），能够读取4只光敏电阻（通过gml-gm4口）的电压。光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。利用光敏电阻的特性从而通过点击固定板上的光源的照射获得旋转支架转动的位置信息。(2)(2)(1)(3)(4)图4-2

35、2(1)工厂印刷完的PCB板；(2)焊接好元件的电路板(正面)；(3)焊接好元件的电路板(背面)；(4)插上模块板的电路板电刷由于旋转支架在旋转，电源不能直接从电机固定支架板上用线连接到旋转支架上,故设计了电刷，分别将地和5V连接到旋转支架上。电刷由02mm铜螺丝、中3mm弹簧和导线焊接而成。为了减少对电刷所接触的轨道的磨损，在螺丝一端“十”字里塞满焊锡。以上介绍的是旋转支架上的各个单元组成。旋转支架以及其上各个单元的形状及安装如图4-24所示。图4-24旋转支架以及其上各个单元(左：正面，右：反面)以下会介绍电机及固定装置。(4) 电机固定支架板电机固定支架板的功能：1、固定电机；2、将电源

36、传到旋转支架上；3安装光源来照射旋转支架上电路板上的定位光敏电阻。电机固定支架板材料使用亚克力透明板，这样能方便和艇壁粘接。电机固定支架板的激光雕刻路径如图4-25所示。图4-25电机固定支架板的激光雕刻工程图导电导轨在点击固定支架板上需要安装由敷铜板切割的导电轨道。敷铜板采用40*20*1.5mm的环氧玻纤敷铜板，其有硬度好、不易变形的优点。导电轨道的CAD图如图4-26中红色线所示。rll.5图4-26导电轨道CAD图导电轨道用雕刻机切下后用502胶水粘接到电机固定支架板上。整体如图4-27所示。图4-27电机及其固定装置至此动力模块的艇内部分已经制作完毕了。整体效果图如图4-28所示。图

37、4-28动力模块的艇内部分4.4.2艇外桨叶轨道的制作过程艇外包括桨叶（图4-29中蓝色部分）、桨叶轨道板（图4-29中灰色部分）、桨叶磁铁支架（图4-29中红色部分）和磁铁。图4-29艇内部分Pro/E结构图（1）桨叶桨叶采用NACA0010的翼型，展长50mm,展弦70mm。其底部留有与磁铁支架所连接的中4的孔和减少与轨道间接触阻力的1mm平台（如图4-32中2所示）。桨叶的Pro/E零件三视图如图4-30所示。图4-30桨叶的立体图通过装配和整体协调确定了磁铁支架的结构，并利用学校3D打印机使用ABS材料制作。图4-313D打印中的桨叶桨叶打印完成后，用细砂纸将表面打磨平滑，然后喷漆三层

38、以增加表面光滑度减少阻力且增加美观度。图4-32制作完成的桨叶1桨叶，2升高平台，3磁铁支架安装孔，4轴承平台桨叶轨道桨叶轨道完全使用ABS材料制成。由桨叶下方的桨叶支撑轨道、非桨叶下方的连接轨道、滚轮、螺丝和磁铁组成。桨叶轨道的Pro/E零件三视图如图4-33所示。图4-33轨道板三视图及立体图轨道板使用3D雕刻机雕刻ABS板制作而成。轨道板的雕刻机工程文件如图4-34所示。图4-34雕刻机工程文件每种轨道板各4块可围艇体一周，并用螺栓连接。如此制作方便拆装，也方便尺寸调整。(2) 磁铁支架磁铁支架是用来连接桨叶和磁铁的，同时也将桨叶和磁铁固定在轨道上，使其只能旋转，不能径向移动和其他位移。

39、并且在磁铁支架与桨叶的连接杆上套有轴承，用来减小支架与轨道间的摩擦。磁铁支架的Pro/E零件三视图如图4-35所示。图4-35磁铁支架三视图及立体图通过装配和整体协调确定了磁铁支架的结构，并利用学校3D打印机使用ABS材料制作。1磁铁安装槽，2磁铁安装槽框架，3轴承平台，4桨叶安装柱以上就完成了艇外桨叶轨道的制作。整体效果和局部效果如图4-36所示。图4-36整体效果图（左）和局部效果图（右）1磁铁，2轨道板，3磁铁支架，4滚轮，5桨叶，6固定螺丝摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论11.1研究背景11.1.1无轴推进器的研究背景11.1.2变距推进器的研究背景11.2国内外研究现状

40、11.2.1国外研究现状11.2.2国内研究现状21.3本文研究的主要内容21.4本章小结3第二章环绕式变距无轴推进器的原理42.1引言42.2环绕式变距无轴推进器的背景技术42.3环绕式变距无轴推进器的原理概述42.3环绕式变距无轴推进器的发明目的52.4环绕式变距无轴推进器的技术方案52.5环绕式变距无轴推进器的优点62.6本章小结7第三章环绕式变距无轴推进器的设计方案确定83.1引言83.2设计方案初定83.2.1结构设计方案83.2.2运动设计方案8443动力模块的整体安装桨叶轨道安装在艇体外，环绕在艇周；旋转支架及电机安装在艇体内。整体效果如图4-37所示。图4-37动力模块整体安装

41、效果图4.5艇体的制作过程环绕式变距无轴推进器模型艇体采用亚克力透明塑料管为材料，艇身为圆柱形,由于本次研究主要在于推进器的设计与研究，故首尾并未采用流线型，为方便制作,首尾均采用端盖进行封堵、防水、密封。艇体的主要构造如图4-38所示。图4-38艇体cad图1端盖，2法兰圈，3压载水舱孔，4固定螺丝孔，5固定螺母，6艇体管由于现有技术有限，艇体管是从工厂定制的，外径120mm,壁厚2mm,长Im。端盖和法兰圈是平面结构由亚克力透明板激光雕刻而成。将法连圈用PMMA专用浇水粘到亚克力透明管的两端；再将4mm螺母粘接杂法兰圈内表面，防止螺母打滑；最后盖上端盖，用12颗4mm螺丝固定。制作完成后如

42、图4-39所不。图439艇体完成图4.6艇内电气部分的制作过程艇内电气部分由前压载水舱控制电路、前旋转支架控制电路、中部灯光及电机控制电路、后旋转支架控制电路、后压载水舱控制电路组成。其中前后旋转支架电路在4.4.1动力模块的艇内部分已经介绍了，包括原理图（图4-20）、电路板布线图（图4-21）和焊接好的电路板（图4-22）,其作用是根据旋转位置改变桨叶的角度，并且接收无线串口的数据改变推进器运行模式。前后压载水舱控制模块主要运行方式如下：无线串口单片机步进电机驱动器步进电机活塞艇体的浮沉无线串口选用Zigbee无线串口模块，其有速度快，接线简单，传输不丢帧等优点；步进电机驱动器选用TB65

43、60型号，其有控制简单，可调节功率等优点；单片机仍然采用ArduinoNanoV3.0平台板。电路布置如图4-40所示。图4.40压载水舱电路图1单片机，2活塞，3无线串口，4步进电机，5步进电机驱动器艇体中部是灯光，用来增加美观度和演示运行状态的。由于灯光带和主轴电机是12V驱动所以其控制部分使用了继电器。艇体中部电路如图4-41所示。图4-41中部灯光电路1单片机，2灯带，3继电器4.7推进器程序设计4.7.1步进电机控制程序步进电机控制程序的编写主要更具步进电机驱动板的工作原理进行编写的，其中还要顾忌到无线串口的控制。以下是前压载水舱的控制程序。intflag;暂存串口接收到的数据voi

44、dsetup()(Serial.begin(19200);串口波特率设定，这里使用传输较快的19200HzpinMode(7,OUTPUT);步进电机使能端，控制步进电机的供电pinMode(8,OUTPUT);控制步进电机的正反转digitalWrite(7,HIGH);digitalWrite(8,LOW);analogWrite(9,120);输出pwm波，控制步进电机的转速voidloop()(主循环程序if(Serial.available()>0)(flag=Serial.read();if(flag=T)前进水voidloop()(主循环程序if(Serial.availa

45、ble()>0)(flag=Serial.read();if(flag=T)前进水if(flag=2)前排水(while(1)如果串口接收到数据才执行将串口读到的程序暂存判断状态判断状态判断限位开关是否闭合如果闭合则结束排水状态判断限位开关是否闭合如果闭合则结束排水状态if(analogRead(A7)>1000)break;if(flag=5)break;digitalWrite(7,LOW);digitalWrite(8,HIGH);digitalWrite(7,HIGH);)4.7.2旋转支架控制程序旋转支架控制程序主要原理是判断旋转的位置和串口的命令来改变舵机的角度。本段程

46、序共设置了停止、前进、后退、左转、右转、上浮、下沉、左平移和右平移9个状态。以下是前旋转支架控制程序。#include<SoftwareSerial.h>软件串口头文件#include<Servo.h>舵机控制头文件Servodjl;Servodj2;Servodj3;Servodj4;定义了4个舵机SoftwareSerialwireless(3,4);/RX|TX定义了软件串口的输出口intgm=400;光敏电阻导通阀值intDl=20;舵机旋转角度1intD2=30;舵机旋转角度2intzl=90-DI,z2=90-D2;intdl=90+Dl,d2=90+D2;

47、intflag=S;暂存串口接收到的数据，并定义初始为停止状态intgml,gm2,gm3,gm4;voidsetup()(djl.attach(5);3,5,6,9,10,ll有PWMdj2.attach(6);dj3.attach(9);dj4.attach(10);定义舵机的输出口wireless.begin(19200);串口波特率设定，这里使用传输较快的19200Hzdj_all(90);初始化舵机角度为90°voiddjl_angle(inta)微调舵机角度(intb=a-7;djl.write(b);voiddj2_angle(inta)voiddj3_angle(in

48、ta)voiddj4_angle(inta)voiddj_all(inta)定义所有舵机都转到某一角度djl_angle(a);dj2_angle(a);dj3_angle(a);dj4_angle(a);voiddj_bian(intal,inta2,inta3,inta4)定义所有舵机都转到各自的角度(djl_angle(al);dj2_angle(a2);dj3_angle(a3);dj4_angle(a4);voidjiaodu()从光敏电阻读取电压，用来检测旋转的位置(gml=analogRead(A4);gm2=analogRead(A5);gm3=analogRead(A6);g

49、m4=analogRead(A7);voidloop()主循环程序(if(wireless.available()>0)如果串口接收到数据(flag=wireless.read();将串口数据暂存if(flag=S)静止程序(dj_all(90);if(flag=F)前进程序(dj_all(z2);if(flag='B)后退程序dj_all(d2);if(flag=I)左转程序(jiaodu();读取旋转位置if(gm4>gm)当到达位置4或3、4之间时舵机3转到负30。dj_bian(d2,90,z2,90);舵机1转到正30°,if(gm3>gm)dj_

50、bian(90,z2,90,d2);if(gm2>gm)dj_bian(z2,90,d2,90);if(gml>gm)dj_bian(90,d2,90,z2);if(flag='R')右转程序jiaodu()；if(gm4>gm)dj_bian(z2,90,d2,90);if(gm3>gm)dj_bian(90,d2,90,z2);if(gm2>gm)dj_bian(d2,90,z2,90);if(gml>gm)dj_bian(90,z2,90,d2);if(flag=T)左平移程序if(flag=Y)右平移程序if(flag=U)上浮程序(

51、jiaodu();读取旋转位置信息if(gm4>gm)当到达位置4或3、4之间时dj_bian(90,180,90,90);舵机2旋转到180°if(gm3>gm)dj_bian(180,90,90,90);if(gm2>gm)dj_bian(90,90,90,180);if(gml>gm)dj_bian(90,90,180,90);if(flag='d')下沉程序4.7.3中部灯光及电机控制程序#include<MsTimer2.h>定时器头文件intflag;串口读取数据暂存voidfront()推进器前进时灯光闪烁状态(sta

52、ticbooleana=HIGH;digitalWrite(3,a);digitalWrite(4,a);digitalWrite(5,a);digitalWrite(6,a);a=!a;voidright()voidup()voiddown()voidsetup()Serial.begin(19200);设置串口波特率为19200Hz,开启串口pinMode(3,OUTPUT);/左pinMode(4,OUTPUT);/右pinMode(5,OUTPUT);/±pinMode(6,OUTPUT);/下定义输出口控制四个方位的灯带pinMode(7,OUTPUT);电机pinMode

53、(8,OUTPUT);电机定义输出口控制两个主轴电机digitalWrite(3,LOW);digitalWrite(4,LOW);digitalWrite(5,LOW);digitalWrite(6,LOW);digitalWrite(7,LOW);digitalWrite(8,LOW);初始化输出口,使刚开始的是时候电机不转voidloop()主循环程序(if(Serial.available()>0)如果串口接收到数据flag=Serial.read();就将接收到的数据暂存if(flag=8)关闭电机判断接收到的数据MsTimer2:stop();digitalWrite(3,L

54、OW);digitalWrite(4,LOW);digitalWrite(5,LOW);digitalWrite(6,LOW);digitalWrite(7,LOW);digitalWrite(8,LOW);if(flag=s')打开电机(if(flag=S)停止运动(if(flag='F')推进器前进MsTimer2:stop();MsTimer2:set(800,front);设置中断，使灯带800毫秒闪烁一次MsTimer2:start();中断开始if(flag=B)(MsTimer2:stop();MsTimer2:set(400,front);设置中断，使灯

55、带400毫秒闪烁一次MsTimer2:start();中断开始if(flag=L')左转(MsTimer2:stop();digitalWrite(4,LOW);digitalWrite(5,LOW);digitalWrite(6,LOW);3.3基于Fluent软件的流体仿真83.3.1仿真前数据收集83.3.2 Gambit模型绘制和网格划分93.3.3 Fluent数值模拟103.3.4仿真结果数据处理113.4结构设计113.4.1初步结构设计113.4.2结构设计的确定123.5结构设计的合理性计算123.6本章小结13第四章环绕式变距无轴推进器模型的试验准备144.1引言144.2模型制作材料的选择及确定144.2.1模型制作材料的选择144.2.2模型制作材料的确定174.3压载水舱模块的制作