(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

通常，球艏的設(shè)計(jì)是針對(duì)具體的船型，根據(jù)一些基本規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)確定球艏設(shè)計(jì)方案，再通過多次的模型試驗(yàn)來改進(jìn)球艏形狀來最后確定其形式。所以球艏的設(shè)計(jì)過程非常煩瑣，且修改量大，效率不高。因此如何快速生成球艏形狀并便于修改是亟待解決的一個(gè)重要問題。

從有利于阻力性能分析與優(yōu)化的角度來進(jìn)行球艏的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以獲得更加優(yōu)良的球艏型線，F(xiàn)RIENDSHIP Framework系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱FRIENDSHIP)為球艏乃至艦船船型的快速設(shè)計(jì)提供了一種高效、實(shí)用的方法。

1 FRIENDSHIP參數(shù)化思想

1.1 參數(shù)化建模方法

參數(shù)化建模方法有3種：①傳統(tǒng)建模；②半?yún)?shù)化建模；③全參數(shù)化建模。

在這3種建模方法中，全參數(shù)化建模效率最高、經(jīng)濟(jì)性最佳。在FRIENDSHIP中，提供了以上3種建模方法，本文介紹的球艏參數(shù)化是全參數(shù)化建模方法，將球艏設(shè)計(jì)所涉及的特征、參數(shù)和主要要素結(jié)合起來，建立全參數(shù)化的船體曲面模型，以支持后續(xù)的性能計(jì)算和優(yōu)化工作。

FRIENDSHIP參數(shù)化方法的基本思想是基于Feature建模和仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，建立形狀特征曲線和特征參數(shù)，然后利用其內(nèi)部的curve engine(曲線生成器)和meta surface(曲面生成器)快速生成船體曲面，由于船型設(shè)計(jì)主要圍繞形狀特征曲線和特征參數(shù)進(jìn)行，因此主要任務(wù)是設(shè)計(jì)形狀特征曲線和特征參數(shù)，以達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

球艏參數(shù)化設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)合理的特征參數(shù)、光順的縱向特征曲線和典型橫剖面曲線，進(jìn)而生成一系列光順的橫剖面曲線，最后生成光順的船體曲面。無論是縱向特征曲線的設(shè)計(jì)，還是橫剖面曲線的建模，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)都是通過應(yīng)變能最小原理生成滿足諸如面積、形心、曲線的起點(diǎn)或終點(diǎn)的坐標(biāo)、斜率、曲率等特定幾何特征參數(shù)的、光順的曲線。

球艏的參數(shù)化設(shè)計(jì)是在數(shù)學(xué)船型設(shè)計(jì)的縱向函數(shù)法的基礎(chǔ)上繼承發(fā)展而來的。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、縱向函數(shù)法類似，首先生成橫剖面面積曲線，設(shè)計(jì)水線、中縱剖面輪廓線等縱向特征曲線，再生成一系列的橫剖面曲線。

2 形狀特征曲線與特征參數(shù)

2.1 形狀特征曲線

球艏的三維形狀由球艏的邊界線來確定，主要由縱向特征邊界曲線、橫剖面曲線、球艏域函數(shù)曲線形狀來決定，見圖1。

1)縱向特征邊界曲線。縱向特征邊界曲線，是沿船長(zhǎng)方向的、生成橫剖面曲線、球艏曲面所必須的曲線，是最主要的曲線。主要包括中縱剖線up curve和low curve，橫向邊界線(即球艏各剖面最大寬度處的型值點(diǎn)連接起來的一條空間曲線)。為便于實(shí)現(xiàn)，將橫向邊界線表達(dá)成兩條平面曲線，即halfbeam curve(代表方向)和beamElevation curve(代表寬度)。

2)橫剖面曲線。橫剖面形狀決定著球艏體積的縱向分布。艏柱處的橫剖面形狀可根據(jù)剖面面積與形心的位置來進(jìn)行控制，在本文中命名為section curve。

圖1 形狀特征曲線

3)球艏域函數(shù)(位置趨勢(shì)函數(shù))曲線。主要是參數(shù)化球艏的位置變化趨勢(shì)曲線，在本文中命名為domain curve。

形狀特征曲線的建模在FRIENDSHIP中使用了FSpline和Generic。

FSpline是Friendship中一種光順建模曲線。在指定的2維基準(zhǔn)面中，用戶只需給定起始位置和中止位置以及相應(yīng)的切角，同時(shí)還可以指定曲線的面積和質(zhì)心的位置。這種曲線類型是高度參數(shù)化的曲線，其可編輯參數(shù)能夠由函數(shù)分布來描述以用于曲面設(shè)計(jì)。

Generic曲線是一種泛型曲線，可以指定任意的x、y和z坐標(biāo)。這些定義必須以曲線參數(shù)“t”來進(jìn)行約束，t的取值范圍為0～1。在本文中位置趨勢(shì)曲線由Generic來創(chuàng)建。

2.2 形狀特征參數(shù)

在球艏參數(shù)化設(shè)計(jì)中，形狀特征參數(shù)決定了所設(shè)計(jì)球艏的縱向特征邊界曲線、橫剖面曲線，并最終決定球艏外形，直接影響船舶設(shè)計(jì)的質(zhì)量，因此形狀特征參數(shù)的確定至關(guān)重要。形狀特征參數(shù)見表1。

3 球艏參數(shù)化模型

3.1 形狀特征曲線實(shí)現(xiàn)

1)縱向特征邊界曲線和球艏域函數(shù)曲線的實(shí)現(xiàn)見表2所列。

表2 縱向特征邊界曲線和球艏域函數(shù)曲線的實(shí)現(xiàn)

2)橫剖面曲線。在FRIENDSHIP中橫剖面曲線的建立使用了Feature建模技術(shù)。根據(jù)常規(guī)定義，F(xiàn)eature建?？杀灰暈閹缀谓５耐卣梗粌H具有幾何信息，在同一項(xiàng)中還存儲(chǔ)了關(guān)聯(lián)函數(shù)信息。Feature是高級(jí)功能，能夠提供成型的參數(shù)化單元，這與現(xiàn)在的點(diǎn)、線和面的構(gòu)成方法不同，比如Bezier曲線或者Coons面，除了可以生成幾何體和單元，F(xiàn)eature還能實(shí)現(xiàn)特殊的工作流程。

在建模環(huán)境中使用Feature可將完整的設(shè)計(jì)任務(wù)和重復(fù)步驟融入到一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)中。首先，這能完善項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，還可以重復(fù)只用先前定義的Feature庫。這樣就能在設(shè)計(jì)流程中為用戶提供支持，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的用戶和模型系統(tǒng)之間的交流。最后，可重復(fù)利用性是在設(shè)計(jì)流程中節(jié)約大量時(shí)間的關(guān)鍵。因?yàn)橐A(yù)見用戶需求的設(shè)計(jì)特征十分困難，在系統(tǒng)中隨時(shí)引入新的特征就非常重要。用戶可以定義、存儲(chǔ)和整理自己創(chuàng)建的Feature。

FRIENGSHIP中，F(xiàn)eature還可作為特殊曲面類型meta surface的基礎(chǔ)。曲面任何方向的截面都可以在Feature定義中進(jìn)行拓?fù)涿枋觥Ｍㄟ^curve engine功能可以創(chuàng)建參數(shù)化曲線用來描述該截面輸出參數(shù)沿曲面的分部，并連接Feature定義。通過curve engine，根據(jù)Feature中存儲(chǔ)的模板在基線范圍內(nèi)任意生成截面，然后meta surface會(huì)在給定域中調(diào)用curve engine，于是獲得每個(gè)曲面的截面形狀，得出關(guān)于曲面的完整數(shù)學(xué)描述，不需要插值。光順的基線和截面生成關(guān)順的曲面，無需進(jìn)一步手動(dòng)關(guān)順。此外，該曲面描述完全采用參數(shù)，所以能很好地適應(yīng)系統(tǒng)性變形。

橫剖面曲線的設(shè)計(jì)與形狀特征參數(shù)、縱向特征邊界曲線密切關(guān)聯(lián)，也就是說橫剖面曲線的設(shè)計(jì)受形狀特征參數(shù)、縱向特征邊界曲線的控制(橫剖面曲線的主要節(jié)點(diǎn)、位置向量、連續(xù)性等要與形狀特征參數(shù)、縱向特征邊界曲線一致)。在本文中，橫剖面曲線比較規(guī)則，主要分為四段，包括uppflat、upp、low和lowflat見圖2。

Uppflat和lowflat是由兩點(diǎn)創(chuàng)建的直線段，一般用FRIENDSHIP的“LINE”來創(chuàng)建；upp、low是由兩點(diǎn)創(chuàng)建的平面曲線，曲線的形狀是與Uppflat、lowflat相切的，一般用FRIENDSHIP的“fsplinecurve”來創(chuàng)建，此外，除了在首末兩端的切向進(jìn)行控制外，還對(duì)其面積進(jìn)行了控制，設(shè)定了控制參數(shù)——豐滿度“fullness”，通過面積對(duì)曲線的形狀進(jìn)行控制。

圖2 橫剖面曲線生成示例

以上創(chuàng)建由Feature Definition完成，具體如下。

1)輸入項(xiàng)(argument)。輸入項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)橫剖面曲線創(chuàng)建的數(shù)據(jù)源，在輸入項(xiàng)中體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路和參數(shù)入口，此外，輸入項(xiàng)還對(duì)應(yīng)曲線引擎“Curve Engine”的驅(qū)動(dòng)配置信息。

2)程序?qū)崿F(xiàn)(create Function)。在確定了輸入項(xiàng)后，就可以進(jìn)行橫剖面曲線的程序設(shè)計(jì)，這一部分中主要是調(diào)用FRIENDSHIP的系統(tǒng)函數(shù)(FRIENDSHIP系統(tǒng)中提供了大量的系統(tǒng)函數(shù)，包括各種實(shí)體的建模、屬性和配置)實(shí)現(xiàn)橫剖面曲線的建立。

3)輸出項(xiàng)(attribute)。在完成了程序?qū)崿F(xiàn)后,系統(tǒng)在輸出選項(xiàng) “Attribute” 中系統(tǒng)可以自動(dòng)生成輸出參數(shù)，設(shè)計(jì)者根據(jù)需要可有針對(duì)性地選擇需要輸出的內(nèi)容。

4)關(guān)聯(lián)關(guān)系。為了說明輸入項(xiàng)、程序?qū)崿F(xiàn)、輸出項(xiàng)以及橫剖線具體樣式之間的關(guān)系，在圖3中用框圖的形式進(jìn)行了詳細(xì)描繪，并刻畫了其中的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 各站橫剖面線生成

以上只是建立了一條橫剖面曲線的生成方式，在船舶設(shè)計(jì)中要用到一組沿縱向曲線從前到后的橫剖面曲線，所以還要有生成其它站線的橫剖面曲線的機(jī)制和方式。

其它站線的橫剖面曲線具體實(shí)現(xiàn)方式是通過curve engine來實(shí)現(xiàn)的。

1)在 curve engine界面(見圖4b)中，首先要定義基線“base curve”，基線主要是指橫剖面曲線，在“Base Curve”加載橫剖面曲線“section”。

2)選擇坐標(biāo)平面，主要是指明縱向曲線的趨勢(shì)方向平面，在本例中為Y-(XZ)。

圖3 Feature definition各項(xiàng)邏輯關(guān)系

3)curve engine中實(shí)現(xiàn)橫剖面曲線輸入項(xiàng)(argument)與縱向曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體見圖4。

圖4 各站橫剖面曲線生成邏輯關(guān)系圖和Curve Engine界面

3.3 曲面生成

在已經(jīng)建立各站橫剖面曲線以后，就可以依據(jù)蒙皮法建立曲面。在FRIENDSHIP中實(shí)現(xiàn)的方式是meta surface。meta surface譯為元曲面，其基本原理是將橫剖面曲線融合在一起生成曲面的過程。多數(shù)情況下，橫剖面曲線的蒙皮都會(huì)產(chǎn)生滿意的結(jié)果，但在過渡的地方也有例外情況出現(xiàn)，為此FRIENDSHIP中引入了優(yōu)化處理機(jī)制。

meta surface曲面的建立如圖5和6。①確定曲面的過渡方式，在本例中選擇“smooth endings”；②確定meta surface的起止位置和引擎，在本例中，首端點(diǎn)為“0”，末端點(diǎn)為“bulblength”，驅(qū)動(dòng)引擎(Engine)為上面建立CurveEngine“forebulb”。

3.4 靜水力基本計(jì)算

在完成了曲面參數(shù)化的工作以后，就可以在FRIENDSHIP中進(jìn)行設(shè)置和靜水力的相關(guān)計(jì)算，此外，還可以與其它商業(yè)計(jì)算分析軟件結(jié)合，進(jìn)行性能分析與優(yōu)化。

圖5 Meta surface開發(fā)界面

圖6 Meta surface結(jié)果

4 結(jié)論

FRIENDSHIP為球艏的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了高效、實(shí)用和可行的方法和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。FRIENDSHIP系統(tǒng)的核心是基于設(shè)計(jì)特征(Feature)的建模，F(xiàn)eature建?？杀灰暈閹缀谓５耐卣梗粌H具有幾何信息，在同一項(xiàng)中還存儲(chǔ)了關(guān)聯(lián)函數(shù)信息，曲面任何方向的截面都可以在Feature定義中進(jìn)行拓?fù)涿枋?。通過曲線引擎功能可以創(chuàng)建參數(shù)化曲線用來描述該截面輸出參數(shù)沿曲面的分部，并連接Feature定義，然后Meta surface會(huì)在給定域中調(diào)用Curve engine，于是獲得每個(gè)曲面的截面形狀，得出關(guān)于曲面的完整數(shù)學(xué)描述。通過實(shí)際應(yīng)用，基于FRIENDSHIP系統(tǒng)的球艏參數(shù)化設(shè)計(jì)效果良好。對(duì)于該方法只是嘗試了基本的應(yīng)用，關(guān)于球艏的水動(dòng)力性能，有待進(jìn)一步研究。

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