復(fù)雜船體曲面的一種草圖重疊建模法

李 堯，陳仲銘，嚴(yán) 謹(jǐn)，余澤濤，黃康康

(1.廣東海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524000; 2.廣州中船文沖船塢有限公司， 廣東 廣州 511462)

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，派生出了基于計算機(jī)的圍繞船舶與海洋工程裝備的大型工程分析、仿真計算等領(lǐng)域，如有限元法計算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、CFD方法模擬船舶周圍擾流計算阻力等，這些領(lǐng)域通常都需要建立完整或者局部簡化的三維實體模型。解決船舶三維實體建模的難點在于對復(fù)雜曲面的精確建模，雖然全回轉(zhuǎn)體曲面造型技術(shù)在汽車、飛機(jī)、導(dǎo)彈等領(lǐng)域應(yīng)用成熟[1-3]，但船體建模更多的是解決更加復(fù)雜的非回轉(zhuǎn)體曲面的建模問題。對此，很多學(xué)者利用AutoCAD、CAXA、CATIA、SPD等工具開展了基于參數(shù)化或二次開發(fā)的建模研究[4-7]，并提供了許多思路，但這些方法對計算機(jī)技術(shù)要求較高，不易推廣。本文旨在提供一種更加簡單快捷的復(fù)雜曲面的建模思路，研究對象是可直接用于數(shù)值計算的三維分析模型。在SolidWorks軟件環(huán)境下，綜合利用分段放樣、草圖重疊以及曲面重構(gòu)技術(shù)[8]建立符合要求的三維實體模型，并將該方法應(yīng)用于三個船型實例。

1 復(fù)雜船體曲面建模

1.1 建模過程

以某靈敏型散貨船為例，流線型的船體有利于降低阻力提高航速，帶球艏的船艏有利于減小興波，船艉處開有軸隧孔用于安裝螺旋槳，船舯則類似于平行中體結(jié)構(gòu)，從船艏至船艉殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，曲面曲率變化大，無法利用簡單的曲面放樣技術(shù)一次性完成建模。

船體曲面的建模一般采用型線放樣，放樣的輪廓線為各站位的橫剖線。在SolidWorks中導(dǎo)入CAD橫剖面型線圖，再根據(jù)型線圖站位劃分情況建立與前視基準(zhǔn)面平行的基準(zhǔn)面。各站面橫剖面輪廓線的繪制通常有兩種方法：一是在型線圖中將橫剖線剪切出來，把圖片直接導(dǎo)入到SolidWorks中進(jìn)行縮放；二是在導(dǎo)入完整型線圖后，依次對各站面重新臨摹并對應(yīng)橫剖線草圖形成新的樣條曲線。通過實踐發(fā)現(xiàn)：當(dāng)型線圖型線的節(jié)點密集時，用第一種方法在SolidWorks中處理線條操作繁復(fù)，因此采用第二種方法。圖1為根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立的某靈敏型散貨船橫剖線圖。

圖1 某靈敏型散貨船橫剖線圖

1.2 草圖疊加法

由于該散貨船帶有球鼻首，沿船長方向曲率變化較大，而且船尾部分船體連接有斷層情況，因此這里把船體分成5段放樣，分別為船艏尖、球鼻首、艏部到船舯、船舯到螺旋槳部位、船艉，再進(jìn)行曲面的縫合。分段放樣的關(guān)鍵是保證最終船體曲面的光滑性，難點在于船艏、船艉與中體的連接處。因此需要在一個基準(zhǔn)面創(chuàng)建三個草圖，在進(jìn)行曲面縫合時，為防止出現(xiàn)偏差導(dǎo)致縫合失敗，兩個面的端部必須位于同一個基準(zhǔn)面，面和面縫合時縫合部位的兩個面端線必須在同一個位置，在草圖上看到的是該基準(zhǔn)面上所有草圖疊加的情況，如圖2所示。實際連接處所在站位上的輪廓線由圖3、圖4、圖5疊加而成，其中參與艉部放樣的草圖經(jīng)轉(zhuǎn)換后需要進(jìn)一步優(yōu)化，既要符合型線圖的要求，也不能影響艉部的曲面放樣。同理，對球鼻首曲面和船艏尖曲面在艏部到船舯的曲面連接也進(jìn)行同樣處理。

1.3 型線的加密及分段放樣

經(jīng)過上述工作，模型進(jìn)入放樣階段。當(dāng)型線圖給出的球鼻首和船艏尖橫剖線數(shù)據(jù)不足時，會導(dǎo)致端部無法放樣或者放樣的結(jié)果與原船出入很大。參考逆向工程中基于實物圖像的數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)技術(shù)來完成對復(fù)雜曲面的精準(zhǔn)建模，劃分更多球鼻首和船艏尖的橫剖線和輪廓線，使其完整準(zhǔn)確地描述出來。根據(jù)實物圖像，用樣條曲線對球鼻首和船艏尖橫剖線進(jìn)行加密和端部補(bǔ)充。由于增加的線條隸屬于不同的基準(zhǔn)面，為了更好地表達(dá)輪廓，還需要建立不同視圖的基準(zhǔn)面。加密結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖2草圖疊加圖3草圖1圖4草圖2圖5草圖3

圖6加密補(bǔ)充前圖7加密補(bǔ)充后

為了達(dá)到創(chuàng)建復(fù)雜曲面的目的，還需要對已有曲面進(jìn)行縫合、延伸、剪裁等[9]。在完成了對橫剖面輪廓線的繪制后，依次對船體5個部分進(jìn)行放樣，再利用曲面造型方法完成對整個殼體的曲面建模(如圖8所示)，最后建立內(nèi)部構(gòu)件，最終完成整個散貨船的三維實體建模。

圖8 放樣結(jié)果

2 應(yīng)用實例

2.1 應(yīng)用建模實例

草圖疊加分段放樣法除了用于普通大型商船的建模外，對游艇、新型高速船、漁船、各型海洋工程船等各種復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的船體建模均適用，應(yīng)用草圖疊加分段放樣法建立了52英尺雙體船模型(如圖9所示)，由于連接橋與片體之間結(jié)構(gòu)過渡復(fù)雜，將其分成7段放樣(如圖10所示)。區(qū)域連接處的剖面草圖輪廓線是由多個草圖疊加而成，保證了最終曲面放樣能夠在端面上完美縫合。圖11為應(yīng)用新方法建立的某海洋漁船模型，以上所建模型可直接用于有限元計算或CFD數(shù)值模擬。

圖9 52英尺雙體船三維模型圖10分段放樣區(qū)域

2.2 模型應(yīng)用計算實例

應(yīng)用草圖疊加分段放樣方法能夠快速建立具有復(fù)雜曲面的船舶或者海上結(jié)構(gòu)物分析模型，本文給出了利用該方法建立的靈敏型散貨船CFD模型的計算實例。圖12為用新方法建立的三維模型及流場網(wǎng)格劃分圖，其中流場計算域設(shè)定為船首端向前延伸0.25倍船長、船尾端向后延伸2倍船長、船寬方向延伸3倍半寬、深度方向延伸5倍吃水，整個長方體(長×寬×高)尺寸為260 000 mm×26 000 mm×45 000 mm。流場域利用Fluent進(jìn)行求解，采用VOF法，入口處速度為該船設(shè)計航速6.2 m/s，模擬環(huán)境為靜水航行，通過計算，全船的壓差升力為47 956.3 kN，豎直方向的總升力為47 954.9 kN。計算獲得的摩擦阻力因數(shù)與利用ITTC1957摩擦阻力因數(shù)的估算公式估算值相近，說明數(shù)值模擬計算的阻力數(shù)值區(qū)間合理。從總壓力云圖(如圖13所示)及全船流線云圖可以看出，壓力分布及速度矢量在船艏、艉曲面分段處過渡很自然，可知所建模型船身流線平滑，線型優(yōu)良，說明了利用草圖疊加分段放樣建模法能夠保證所建曲面模型的精度，從而間接提高了CFD數(shù)值模擬、有限元強(qiáng)度計算的可靠性。

圖11 某漁船三維模型

圖12 散貨船三維模型及流場劃分模型圖

3 結(jié)論

本文基于分段放樣方法，提出了一種草圖疊加的復(fù)雜型面實體建模方法，給出了在SolidWorks軟件環(huán)境下的某靈敏型散貨船船體、52英尺雙體船、漁船三個建模實例，新方法在解決船舶與海上結(jié)構(gòu)物復(fù)雜曲面建模問題上應(yīng)用效果顯著。通過將采用新方法建立的散貨船模型用于CFD數(shù)值計算實例，驗證了草圖疊加分段放樣法建立模型的可靠性。此外，新方法并不依賴于SolidWorks軟件環(huán)境，對其他大型三維建模軟件、有限元軟件同樣適用。

圖13 總壓力分布云圖