基于NURBS表达的船舶初步设计关键技术研究

论文摘要

船舶初步设计是船舶设计和建造中的核心环节,而船体曲面表达是船舶设计和建造的基础。目前,表达船体曲面主要有两种方式:一是离散点表达,即常用的型值表表达法。其缺点是在设计及建造的不同阶段,为了求取曲面上给定型值点之外点的坐标值,要进行大量的插值计算,不同的插值函数会得到不同的结果,造成曲面实际表达上的不唯一,从而带来计算和建造的误差;二是以数学函数表达船体曲面,包括二维线框表达法和三维曲面片拼接法,类似离散点表达法,前者在求取线框以外型值点时同样存在插值误差问题,后者的缺点是,由于在相邻曲面片拼接处的边界条件复杂,为取得不同的连续阶,处理起来比较困难和繁琐。因此研究用单一曲面函数表达整个船体曲面,是解决上述问题的有效途径,也是将船舶二维设计推向三维设计高度的基本条件。 本文首先用单一NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）函数对船体曲面进行表达,然后以此为基础,对船舶初步设计中所涉及的主要算法、主船体分舱、静力性能计算以及船体结构强度计算等关键问题进行了研究,实现了船体曲面表达的唯一性、计算的精确性和输入数据的参数化,并引入智能算法。 船体曲面是由首尾圆弧曲面、首尾段的自由曲面和中部的解析曲面按不同的连续阶拼接而成的复杂曲面,很难用同一张曲面进行表达,所以二维线框或曲面片法仍是当今船体曲面表达的主要方法。但如前所述,这两种表达方法难以保证后续设计和计算的精度以及船舶建造的质量。本文分别用单一NURBS函数对船体曲面、甲板和内底内壳进行表达,保证了表达的唯一性,同时使后续的性能计算和船舶的分段建造更方便和精确。 平面与曲面求交算法和几何特性计算方法是主船体分舱和静力性能计算的核心内容。现有求交算法还没有很好地解决平面与曲面相切、漏交和交线不连续等问题,本文利用平面的半空间性质,给出适合于任意可离散为四边形单元的四边形域曲面与平面求交的算法,使上述问题得以很好解决;现有的几何特性计算方法通用性差,处理任意截面积、局部表面积和局部体积的几何特性比较困难,这里采用几何特性组合的方法计算平面、曲面以及空间区域的几何特性,并将其用于静力性能计算,提高计算精度。 将求交算法用于主船体虚拟分舱和生成船体结构有限元建模所需的主要关键点,实现了参数化虚拟分舱和有限元建模,提高了设计效率;将几何特性计算方法具体应用于与水线面、湿表面积、排水体积和舱容等相关的几何特性计算,使静水力特性、自由浮态、稳性、自由液面修正的计算以及有限元模型中载荷的施加等更精确和方便,避免了

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的科学依据与意义
• 1.1.1 选题的必要性
• 1.1.2 选题的可行性
• 1.2 船舶初步设计国内外研究概况
• 1.2.1 船舶CAD技术发展
• 1.2.2 船体曲面造型技术综述
• 1.2.3 曲面求交算法研究
• 1.2.4 基于曲面表达的几何特性计算
• 1.2.5 船舶静水力特性计算
• 1.2.6 主船体分舱及舱容计算
• 1.2.7 船舶自由浮态计算
• 1.2.8 自由液面对浮态和稳性影响的研究
• 1.2.9 稳性计算方法研究
• 1.2.10 船体结构强度有限元分析研究
• 1.2.11 智能算法在船舶初步设计中的应用
• 1.3 论文所要解决的问题
• 1.4 论文内容安排
• 2 基于单一NURBS函数的船体曲面表达
• 2.1 概述
• 2.2 NURBS定义、特性及基本算法
• 2.2.1 B样条基函数定义
• 2.2.2 NURBS曲线定义
• 2.2.3 NURBS曲面定义
• 2.2.4 NURBS曲线和曲面特性
• 2.2.5 NURBS基本算法
• 2.3 利用NURBS构造组合曲线
• 2.4 利用截面线生成蒙皮曲面
• 2.5 船体曲面、甲板和内底内壳NURBS表达
• 2.5.1 船体坐标系定义
• 2.5.2 用单一NURBS曲面函数表达船体曲面
• 2.5.3 用单一NURBS曲面函数表达甲板
• 2.5.4 用单一NURBS曲面函数表达内底内壳
• 2.6 船体曲面表达的数据结构
• 2.6.1 船体曲面型值数据结构
• 2.6.2 曲面定义数据的计算机存储结构
• 2.7 实例及结果分析
• 2.8 小结
• 3 平面与曲面求交算法及应用
• 3.1 概述
• 3.1.1 求交算法应满足的要求
• 3.1.2 曲面求交基本类型
• 3.1.3 参数／参数曲面求交基本方法
• 3.2 算法原理及描述
• 3.2.1 平面与曲面的相对位置
• 3.2.2 求交算法基本原理
• 3.3 基于求交算法的计算
• 3.3.1 曲面仅被一个平面交割的计算
• 3.3.2 曲面被两个以上平面交割的计算
• 3.4 实例及结果分析
• 3.5 小结
• 4 基于曲面表达的几何特性计算及应用
• 4.1 概述
• 4.2 广义棱柱的概念
• 4.3 几何体几何特性计算公式
• 4.4 计算方法
• 4.4.1 截面积及特性计算
• 4.4.2 局部表面积及特性计算
• 4.4.3 体积及特性计算
• 4.5 实例及结果分析
• 4.6 小结
• 5 船舶静水力特性精确计算
• 5.1 概述
• 5.2 静水力特性参数定义
• 5.2.1 浮性参数
• 5.2.2 稳性参数
• 5.2.3 船型系数参数
• 5.2.4 型湿表面积
• 5.3 实例及结果分析
• 5.4 小结
• 6 主船体虚拟分舱及舱容要素曲线计算
• 6.1 概述
• 6.1.1 参数化虚拟分舱意义
• 6.1.2 舱容计算意义
• 6.1.3 虚拟分舱及舱容计算方法概述
• 6.2 主船体参数化分舱方法
• 6.2.1 舱室形状分类
• 6.2.2 分舱参数化定义方法
• 6.2.3 参数化虚拟分舱步骤
• 6.3 舱容计算方法
• 6.4 实例及结果分析
• 6.5 小结
• 7 基于遗传算法求解船舶自由浮态
• 7.1 概述
• 7.1.1 浮性基本概念
• 7.1.2 现有自由浮态计算方法
• 7.2 遗传算法简介
• 7.3 船舶自由浮态计算
• 7.3.1 自由浮态计算优化模型
• 7.3.2 用于自由浮态计算的遗传算法
• 7.4 实例及结果分析
• 7.5 小结
• 8 自由液面对稳性的精确修正
• 8.1 概述
• 8.2 自由液面对稳性影响
• 8.3 自由液面修正规范算法
• 8.4 自由液面修正精确算法
• 8.4.1 倾斜力矩计算原理
• 8.4.2 倾斜力矩和自由液面修正量计算
• 8.5 实例及结果分析
• 8.6 小结
• 9 直接计算船舶最小稳性的模糊遗传算法
• 9.1 概述
• 9.2 等排水体积条件下浮心确定
• 9.2.1 任意水线面下排水体积和浮心坐标计算
• 9.2.2 等排水体积条件下水线面和浮心位置确定
• 9.3 最小稳性计算模型
• 9.4 求解最小稳性的模糊遗传算法
• 9.4.1 模糊编码
• 9.4.2 交叉率和变异率的模糊控制
• 9.4.3 模糊遗传算法步骤
• 9.5 稳性计算
• 9.5.1 不计自由液面的静稳性臂计算
• 9.5.2 精确自由液面修正
• 9.5.3 稳性曲线确定
• 9.6 实例及结果分析
• 9.7 小结
• 10 船体结构总强度及局部强度有限元分析
• 10.1 概述
• 10.2 船体结构特点
• 10.3 传统有限元建模方法简介
• 10.4 参数化船体结构有限元建模方法
• 10.4.1 结构简化
• 10.4.2 单元选取
• 10.4.3 材料特性及许用规范
• 10.4.4 有限元模型建立
• 10.4.5 计算工况确定
• 10.5 小结
• 11 基于ObjectARX的船舶初步设计程序开发
• 11.1 概述
• 11.1.1 AutoCAD数据库
• 11.1.2 ARX类库集
• 11.1.3 自定义类派生机制
• 11.1.4 在ARX应用程序中使用MFC
• 11.2 基于ARX开发船舶初步设计程序PSD
• 11.2.1 程序功能
• 11.2.2 程序类定义
• 11.2.3 程序类层次结构关系
• 11.2.4 程序界面
• 11.3 小结
• 12 总结与展望
• 12.1 论文工作总结
• 12.2 后续工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书