数字化在船舶设计中的应用

数字化在船舶设计中的应用内容摘要：舰船数字化设计的核心是数字化建模，它将设计师头脑中构思的舰船模型转换成用图形、符号或算法表示的形式，最后形成计算机内部数据模型。目前主要的数字化建模方法有几何建模、特征建模、推理智能建模、面向装配建模和集成建模等。对船型设计来说，数字化建模主要是指建立船体几何模型。本文主要围绕NURBS来介绍数字化在船舶设计中的应用。主要介绍了船型设计方法，传统船型设计方法，船体线框模型设计方法，船体曲面模型设计方法这四个方面对数字化设计进行了简单的介绍。数字化几何模型经历了线框模型(1960年代中期)、曲面模型(1970年代中期)和实体模型(1970年代后期)等，它已成为CAD，CAM系统的核心模块之一【l】。线框模型是CAD／CAM领域中最早用来表示对象的模型，并且至今仍在广泛应用。它用点和邻边定义对象，其中邻边用基本线素表示。其特点是结构简单、数据存贮量小、操作灵活、响应速度快、易于生成二维视图和工程图，它又是曲面和实体模型的基础。线框模型的缺点是不能明确地定义给定点与对象之间的关系，因此不能生成剖切图、消隐图和渲染图等。曲面模型用有向棱边围成的部分来定义对象曲面，用面的集合定义对象。曲面模型是在线框模型的基础上，增加有关面边、曲面特征和棱边的连接方向等信息。从而可以满足面面求交，线面消隐和渲染图等的需要。主要适用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的对象，如舰船、飞机和汽车等一些外形复杂表面。曲面模型的缺点是没有明确定义对象究竟存在于曲面哪一侧，因此不能进行几何特性计算和有限元分析等。实体模型用有向棱边围成的部分来定义对象，由面的集合定义对象。实体模型与曲面模型的主要区别是它明确定义了对象存在于曲面哪一侧。因此克服了曲面模型的缺点，能进行几何特性计算和有限元分析等。实体模型的建模方法主要有构造实体几何法、边界表示法和分解表示法。NURBS是Non-UniformRationalB-Splines的缩写，意指节点矢量有非均匀的问距，采用有理分式和具有局部支撑的基函数，称为非均匀有理B样条。它是由美国GeneralMotors公司的Goddon和Mesenfeld在1974提出的B样条曲线曲面基础上发展起来的。NURBS曲线曲面具有以下优点[2】：1)NURBS为解析形状(如二次曲线曲面)和自由型曲线曲面(如汽车、飞机、船体、家具、器皿和鞋类曲面等)提供了统一的数学表示形式；2)用NURBS设计几何外形是直观的，几乎每种工具和算法都有明显的几何解释；3)NURBS的算法快且数值稳定；4)NURBS在仿射变换(平移、旋转、比例、剪切和透视变换)下曲线曲面表示形式是不变的，而在透视变换下无理B样条曲线曲面的表示将变成有理B样条形式；5)NURBS统一了有理和非有理B样条、有理和非有理Bezier曲线曲面的表示形式。经过三十多年的发展，NURBS曲线曲面理论和方法已相当成熟，用计算机实现了算法，并将它引入实体模型的边界表示法中，使得自由曲面模型和实体模型两种建模方法真正统一起来，成为自由曲面实体模型。为了利用线框、曲面和实体模型的各自特点，现在大多数CAD／CAM系统都包括这三种几何模型。并且，NURBS已纳入IGES(InitialGmpllicsExchangeSpecification)、STEP(Standardfor111eExchaIlge0fPmductmodeldata)和PHIGS(ProgramsHierachicalhlteractiveGmphicssystcm)标准，成为事实上的计算机处理几何信息的表示、设计和数据交换的工业标准。几何外形设计可以分成两类【3】：第一类原来就没有描述外形的型值点，只要设计出的外形满足一定的性能要求，例如汽车、船舶等外形设计。考虑到美观性，自由度比较大，这类外形设计称为自由型曲线曲面设计；第二类已有描述外形的型值点，它们由测量或计算得到，如船体放样，要用数学方法表示该外形。NURBS曲线曲面的用控制多边形或控制网格来控制外形的方法，特别适用于第一类外形设计，易于生成满足一定的性能要求、光顺和美观的几何外形。第二类外形设计，也可用NURBS曲线曲面进行设计，既可用点点通过的插值方法表示它们，此时必须根据外形的型值点用反算算法求出控制多边形／控制网格，也可用拟合方法逼近它们，因而比较复杂。1船型设计方法创建船体几何模型是舰船设计的核心，它是舰船水动力计算、总布置、结构、轮机、舾装和电气等的设计基础，船体几何模型的质量直接影响舰船设计的质量。传统的船型设计方法有母型船改造法、系列船型法和参数法等。数字化船型设计方法有船体线框模型设计方法和船体曲面模型设计方法等。其中，船体曲面模型设计方法是以曲面模型为核心混合线框模型和实体模型的设计方法。船型设计属于几何外形设计，它又可以分为两类设计方法。对应于第一类是船体直接曲面模型设计方法，对应于第二类是船体线框曲面模型设计方法。2传统船型设计方法传统船型设计常用方法有三种：母型船改造法、系列船型法和参数法。1)母型船改造法选取优秀的母型船，依照设计船的船型参数，通过变换母型船的船型，生成设计船的船型。2)系列船型法选取与设计船船型类似的经船模试验的船模系列船，依照设计船的船型参数，通过插值船模系列船的船型，生成设计船的船型。这种方法的优点是，在得到设计船船型的同时，可以得到比较准确的船体阻力。但只能在系列船的船型参数范围内插，而且局限于船型的水下部分，有很大的局限性。较好的系列船型有美国的TODD60系列、英国的BSRA系列、瑞典的SSPA系列、我国的大方形系数低速船系列和中等方形系数中高速船系列【2】等。3)参数法根据船舶设计师的经验，总结出表征某类船型的若干船型参数，再对大量现有该类型的船型数据进行回归分析，得到用这些船型参数表示的回归方程。依照设计船的船型参数，利用这些回归方程就可快速生成设计船的船型，这对新舰船设计特别有用。然而，传统船型设计方法都是以线框模型为基础的，即船型用三族剖面线：横剖线、水线、纵剖线，以及船体边界曲线：平边线、平底线、首尾轮廓线、折角线、艉封板线和首切线等数学表示。它对船体的描述是不连续的，船体上三族剖面线和边界线外的点和面是不能精确表示的，因而影响舰船设计的质量。3船体线框模型设计方法船体线框模型设计方法是以NURBS曲线为基础，用NURBS曲线表示船体三族剖面线：横剖线、水线、纵剖线，以及船体边界曲线：平边线、平底线、首尾轮廓线、折角线、艉封板线和首切线等。利用NURBS曲线的特点和曲率图，修改和光顺这些曲线，生成三向光顺的船体线框模型。用船体线框模型设计方法设计船型的步骤如下：1)依照设计船的船型参数，通过传统的母型船改造法、系列船型法或参数法，生成设计船的船型的型值。2)根据船体型值生成用NURBS曲线表示的船体边界曲线：平边线、平底线、首尾轮廓线、折角线、艉封板线和首切线等，利用曲率图，检查曲线的光顺性，交互修改或自动光顺这些曲线，直至曲线光顺为止。3)以上述曲线为边界，根据船体型值点生成用NURBS曲线表示的横剖线和水线，反复交互修改这两族曲线，直至它们光顺。然后再根据船体型值点生成用NURBS曲线表示的纵剖线，反复交互修改这三族剖面线，直至它们都光顺，即三向光顺为止。也可以用自动船体数学放样方法，对船体线框模型进行三向光顺。4)根据三向光顺的横剖线、水线和纵剖线，生成型值表、船体型线图和肋骨型线图等。这类船型设计软件有：708所NUBLINE、SLINE、上海造船工艺研究所HCS和武汉理工大学的长江大中型客船CAD系统等。它们的优点是船体线框模型符合传统的设计船舶型线的思想和习惯，船舶设计师上手快；缺点是三向光顺费时费力，以及线框模型的固有缺点：不能精确定义船体上三族曲线和特征线外的点和面，因此不能生成剖切图、消隐图和渲染图等，给船舶后续的分舱、总布置、结构、轮机、舾装和电气等设计工作带来困难。4船体曲面模型设计方法船体曲面模型设计方法是以曲面模型为核心混合线框模型和实体模型的数字化船型设计方法。它可以分为两类：船体线框曲面模型设计方法和船体直接曲面模型设计方法。a)船体直接曲面模型设计方法[7]船体直接曲面模型设计方法以NURBS曲面为基础，不必先创建船体线框模型，直接生成由多块NURBS曲面片光滑拼接成的船体曲面模型。一般也包括母型船改造法和参数法生成船型。用该方法直接生成NURBS曲面为船体曲面模型，只需要很少的曲面片，往往只要1个曲面片就可以很好表示主船体曲面，它可以包含平边线、平底线、折角线、切点线、球首、球尾和艉封板等特征。用船体直接曲面模型设计方法设计船型的步骤如下：1)根据设计船的船型，选取与此相似的船体曲面模板，主要是曲面拓扑相似，即是否有平边线、平底线、折角线、切点线、球首、球尾和艉封板等。2)依照设计船的船型参数，通过母型船改造法，用船体曲面模板生成初步的设计船的船体NURBS曲面及其控制网格。3)利用检查曲面光顺性的工具：渲染、高斯曲率云图或等照度线，检查曲面的光顺性，交互修改或自动光顺船体曲面的控制网格，直至船体曲面光顺。4)必要时，再用母型船改造法变换船体曲面，并交互修改船体曲面的控制网格，直至船体曲面光顺。5)根据光顺的船体NURBS曲面，生成型值表、船体型线图和肋骨型线图等。6)如果给定船体型值，可利用船体型值先在不同的横剖面上生成标记点，然后交互修改船体曲面的控制网格，使其生成的横剖线尽量接近这些标记点。7)如果曲面模板与设计船体曲面的拓扑不完全相似，可利用Ⅻ瓜BS的重节点和重顶。点技术生成诸如平边线、平底线、折角线、切点线、球首、球尾和艉封板等特征。这类船型设计软件有：美国Fastship、澳大利亚Maxsurf和加拿大AutoShip等，瑞典TribonM3也有此功能。它们的优点是，直接生成NURBS曲面为船体瞌面模型，只需要很少的曲面片。NURBS曲面理论上保证了横剖线、水线和纵剖线三向光顺，生成的NURBS船体曲面甚至不需要放样，可直接用于生产。缺点是，不符合传统的设计船舶型线的习惯，船舶设计师上手慢，要求设计师具有较多的NURBS曲线曲面知识和技巧，需要较强的NURBS方面的培训。但是，设计师一旦掌握了这些知识和技巧后，就能较快地生成光顺的船体NURBS曲面，一般比用船体线框曲面模型设计方法的速度快。这类船型设计软件适用于新设计的船，因为新设计的船没有船体型值约束，设计师有较多的自由发挥的空间；不适用于船厂的已有船体型值的放样。b)船体线框曲面模型设计方法[8]船体线框曲面模型设计方法以NURBS曲线为基础，先创建船体线框模型，然后用NURBS曲面片覆盖此线框模型，最后生成船体曲面模型。一般也包括母型船改造法和参数法。可以采用B样条插值曲面、用NURBS曲面表示的蒙皮曲面和孔斯(coons)曲面方法覆盖线框模型，生成NURBS曲面片。瑞典TribonM3和芬兰NAPA都采用双三次孔斯曲面方法覆盖线框模型，生成NURBS曲面片。但是两者是有区别的，NAPA采用双三次Bezier孔斯类曲面片，曲面片的控制网格数是4×4，不能表示较大的曲面片；TribonM3采用双三次B样条孔斯类曲面片，曲面片的控制网格数可以大于4×4，如8×8等，以表示较大的曲面片，这样可用较少的曲面片表示船体曲面，便于控制它。以TribonM3为例介绍用船体线框曲面模型设计方法设计船型的步骤如下：1)依照设计船的船型参数，通过母型船改造法，生成设计船的船型的型值。根据船体型值点，用第4节的船体线框模型设计方法，创建船体线框模型。生成的2)根据船体型值点，用第4节的船体线框模型设计方法，创建船体线框模型。生成的船体边界曲线和三族剖面线必须光顺，否则用盐面覆盖时就会产生缝隙。3)创建曲面片边界网格，作为各个曲面片的边界。4)按曲面片边界网格逐个计算曲面片的控制网格，最后得到整个船体曲面的控制网格。5)利用检查曲面光顺性的工具：渲染、高斯曲率云图或等照度线，检查曲面的光顺性，交互修改或自动光顺船体曲面的控制网格，直至船体曲面光顺。6)根据光顺的船体NUR