Automatisierte Generierung von parametrischen Propellermodellen mit CAESES

Wenn man sich den Entwurf und die Geometriemodellierung von Propellern anschaut, so wird in unterschiedlichen Unternehmen oft ein ähnlicher Prozess angewandt. Typischerweise wird dabei der Propellerflügel basierend auf einer Reihe von Radialfunktionen, wie etwa für Hang, Neigung, Steigung, Sehnenlänge, Dicke, Wölbung, sowie weiterer Profilparameter beschrieben. Aus zusätzlichen Parametern wie der Anzahl der Schaufeln und dem Propellerdurchmesser wird dann die endgültige Propellergeometrie erstellt. In diesem kurzen Beitrag soll ein in CAESES automatisierter Workflow für die schnelle und flexible Erstellung parametrischer Propeller-CAD-Modelle vorgestellt werden, die sich auch für Geometrievariation in einer Formoptimierung mit CFD (Computational Fluid Dynamics) eignen. Der gesamte Prozess ist vollständig automatisiert, und kann in die folgenden Teilschritte unterteilt werden:

Einlesen vorhandener Daten

Werden bestehende Propellerdaten in standardisierter Form gespeichert, wie z.B. Profilschnitte an unterschiedlichen Radien und diskrete Daten für die Radialfunktionen, kann daraus in wenigen Schritten automatisch ein parametrisches Propellermodell erstellt werden. Für das Beispiel und die Bilder in diesem Beitrag wurde das Propeller Free Format (PFF) als Eingabeformat gewählt. CAESES ermöglicht es, vorhandene Propellergeometrien, die im PFF-Format gespeichert sind, zu laden und automatisch in ein flexibles, robustes CAD-Modell zu konvertieren. Wenn andere Formate verwendet werden, besteht die Möglichkeit, benutzerdefinierte Importroutinen zu verwenden, so dass der Anwender unabhängig vom Dateiformat ist. Diese diskreten Schnittinformationen können ferner auch direkt in CAESES aus 3D-Scandaten (im STL Format) extrahiert werden.


Extraktion von Skelettlinien- und Dickenverteilungen

Angenommen es liegt nun eine importierte Punktwolke der Propellerschnitte vor, wie im ersten Bild dargestellt. Die einzelnen Profile werden dann zunächst als Interpolationskurven an allen vorgegebenen Radien generiert. In jede dieser Profilkurve werden dann Kreise eingeschrieben, um sowohl Skelettlinie als auch die Dickenverteilung in Abhängigkeit der Sehnenlänge zu bestimmen.

Die resultierenden Skelettlinien- und Dickenverteilungen werden normalisiert durch zwei Flächen interpoliert, um eine kontinuierliche Definition als Funktion des Radius zu erhalten, d.h. auch zwischen den einzelnen Schnitten Geometrie-Informationen verfügbar zu haben.

Die Radialfunktionen für alle Parameter werden mit NURBS-Kurven interpoliert. Jede der resultierenden Kurven wird zusätzlich parametrisiert, um dem Konstrukteur flexible Änderungen zu ermöglichen. Bei Bedarf kann die automatisch extrahierte Funktion durch eine beliebige 2D-Kurve ersetzt werden, um weitere Freiheitsgrade in das Erzeugen des Propellerflügels einzufügen.

3D Propellermodellerstellung

Über die zwei Flächen für die Skelettlinien und die Dickenverteilungen können nun an jedem beliebigen Radius 2D und 3D Profile erstellt werden. Sehnenlänge und andere Größen werden dabei über die gegebenen Radialfunktionen abgefragt. Die Anzahl der Flügel, der Propellerdurchmesser und der Nabenradius können über weitere Parameter eingestellt werden.

Variable Radiusverrundung

An der Flügelnabe wird eine Verrundung mit variablem Radius erzeugt. Die Verteilungsfunktion kann entweder nutzerdefiniert oder basierend auf der Dicke des Flügelprofils an der Nabe gegeben sein, z.B. 2/3 und 1/3 der Profildicke auf der Druck- bzw. Saugseite.

Exportformate

CAESES bietet eine Reihe von Standard-Exportformaten wie IGES, STEP, STL oder Parasolid. Für proprietäre Formate kann ebenfalls die Scripting-Umgebung (sogenannte Feature Definitionen) von CAESES verwendet werden, über die sich auch Dateien schreiben lassen.

Geschlossener Körper (Solid)

Falls eine CFD-Analyse durchgeführt werden soll, kann nun am Ende mit wenigen Klicks eine wasserdichte, geschlossene Propellergeometrie mit Welle und abgerundeter Flügelspitze erstellt werden. Für die Simulation wird ein von der Propellergeometrie abgeleiteter Berechnungsbereich exportiert, entweder für einen einzelnen Flügel oder für den gesamten Propeller.

Über die FRIENDSHIP SYSTEMS AG

Die Firma FRIENDSHIP SYSTEMS AG entwickelt und vertreibt die Software CAESES. CAESES ist eine Anwendung für Ingenieure, die simulationsgetriebene Formoptimierungen automatisiert durchführen möchten. Typische Anwendungen sind die strömungsbasierte Optimierung von Schiffsrümpfen, Turboladern, Pumpen und Triebwerken. Meist ist das Ziel eine bessere Energie-Effizienz oder auch die Robustheit der Designs hinsichtlich der Performance und der Herstellung. FRIENDSHIP SYSTEMS wurde 2001 gegründet und sitzt mit dem gesamten Team in Potsdam, Deutschland.

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