Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用

□陳鄭喬 尹 輝 鐘佩君

一、引言

游艇，作為一種水上娛樂用高級(jí)耐用消費(fèi)品，它集航海、運(yùn)動(dòng)、娛樂、休閑等功能于一體，能夠滿足個(gè)人及家庭享受生活的需要[1]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，游艇像轎車一樣多被私人擁有，而在中國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，游艇的擁有量逐漸增高，游艇將會(huì)和汽車一樣，成為進(jìn)入家庭的下一代耐用消費(fèi)品。

區(qū)別于常規(guī)船舶的設(shè)計(jì)思想，游艇的外型設(shè)計(jì)上在保證其優(yōu)良的各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，兼顧時(shí)尚性，體現(xiàn)人類審美的精神需求。為滿足游艇實(shí)用方面的要求，在游艇船體外型設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用具有折角或直線式的船體以提高游艇的航速和保證船體的穩(wěn)定、抗風(fēng)浪性能[2]。而在時(shí)尚方面，相當(dāng)于工藝品，象征消費(fèi)者的身份、地位，游艇在外觀上極具個(gè)性化和藝術(shù)化，因而對(duì)船體外型設(shè)計(jì)提出極高的美學(xué)要求。游艇船體曲面建模能夠?qū)⒂瓮У脑煨驮谟?jì)算機(jī)軟件中以三維體的形式呈現(xiàn)出來，方便設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確地對(duì)游艇外型進(jìn)行修改。游艇船體的曲面建模是完成游艇船舶靜力學(xué)和船舶動(dòng)力學(xué)計(jì)算的第一步，精確的船體曲面建模是獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)。本文以83英尺豪華游艇為造型模版，對(duì)曲面建模進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，并介紹了Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用。

二、曲面建模

曲面建模也稱為NURBS建模。NURBS建模是現(xiàn)代工業(yè)曲面造型中最為廣泛流行的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，它是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它通過控制點(diǎn)來影響曲線的生成，與網(wǎng)格、面片等方法相比,在復(fù)雜曲線曲面造型方面有較大的優(yōu)越性,造型效率高、曲線曲面修改更容易，從而可以創(chuàng)建出更為復(fù)雜、形狀更為生動(dòng)、效果更為逼真的曲面造型[3]。

簡(jiǎn)單地說，NURBS就是專門做曲面物體的一種造型方法。NURBS建模是用路線構(gòu)建曲線，然后由曲線生成曲面，再由曲面生成NURBS立體模型，而每個(gè)NURBS曲面都可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來定義且可通過改變控制點(diǎn)來改變NURBS曲面。在船舶曲面建模過程中也是運(yùn)用到這種方法。NUBRS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，在高級(jí)三維軟件當(dāng)中都支持這種建模方式。常見的支持NURBS曲面建模的軟件有Rhino、3D Max、Maya等等。

三、Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用

Maxsurf軟件是由澳大利亞Formation Design Systems公司為船舶設(shè)計(jì)和建造者開發(fā)的，適用于各種船舶設(shè)計(jì)、分析和建造的一套非常完整的計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)和建造軟件[4]。它由多個(gè)模塊組成，包括Maxsurf modeler、Hullspeed、Hydromax、Workshop、Seakeeping、Prefit、Span、Hydrolink等模塊。其中，Maxsurf modeler模塊是Maxsurf軟件包的核心部分，modeler模塊包括一整套用一個(gè)或多個(gè)真正的三維NURBS曲面，進(jìn)行三維船體建模工具，可使船舶設(shè)計(jì)師快速，精確地設(shè)計(jì)并優(yōu)化出各種船舶主船體、上層建筑和附體型線。Maxsurf軟件的多面特性允許在任何給定的設(shè)計(jì)里隨意進(jìn)行曲面建模，并能創(chuàng)建出諸多的船體結(jié)構(gòu)。輔以流體靜力學(xué)，則能夠進(jìn)行船型分析和確定船型參數(shù)[5]。本文主要使用型值表對(duì)游艇船體進(jìn)行數(shù)值化曲面建模，對(duì)Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用作簡(jiǎn)單的介紹。

(一)數(shù)據(jù)預(yù)處理。使用型值表數(shù)值化建模的第一步就是對(duì)游艇型值表進(jìn)行一系列的處理。首先，在excel表格中將型值表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維空間中船體曲面的點(diǎn)的坐標(biāo)，并按照Maxsurf中標(biāo)記(Marker)表格的格式建立TXT文檔，如圖1所示。其中第一列為站號(hào)，第二列為該站號(hào)離原點(diǎn)的距離，第三列為型寬值，第四列為型深值。在建立TXT文檔時(shí)，需特別注意單位的轉(zhuǎn)換。

(二)導(dǎo)入和整理標(biāo)記(Markers)。啟動(dòng)Maxsurf20中的Modeler advanced Markers模塊，打開Marker窗口，點(diǎn)擊”File”→“Open Design”，選擇建立好的TXT文檔，導(dǎo)入標(biāo)記(Marker)，如圖2所示。

圖2 游艇的型值標(biāo)記點(diǎn)

打開Perspective窗口，就可以得到一系列的型值標(biāo)記點(diǎn)。選擇全部標(biāo)記點(diǎn)，然后在菜單欄中選擇“Markers”→“sort markers within station”和“group markers by station”對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行整理，如圖3所示。

圖3 整理后的標(biāo)記點(diǎn)

(三)生成曲線(Curves)。選中所有標(biāo)記點(diǎn)，在菜單欄中選擇“Curves”→“fit curves to markers station”，曲線的光順度(Stiffness)設(shè)定為“2(linear)”，按站位生成曲線，如圖4所示。

圖4 游艇表面曲線

本文中的游艇因有較明顯的折角，需對(duì)生成的曲線作打斷處理，選中折角處的控制點(diǎn)，然后在菜單欄中選擇“Curves”→“break curve”打斷曲線，如圖5所示。

圖5 打斷處理后的曲線

(四)生成曲面(Surfaces)。由曲線生成曲面是船舶曲面建模的關(guān)鍵所在，工作量也是最大的，生成曲面時(shí)請(qǐng)務(wù)必細(xì)致認(rèn)真耐心。

本文將游艇曲面分四個(gè)曲面生成。第一，選中生成第一個(gè)面的曲線，需要特別注意的是選擇曲線時(shí)要單向順次選擇曲線，否則影響后面生成的曲面的形狀。第二，在菜單欄中選擇“surfaces”→“skin curves”，本文中的游艇共有10站，則添加10個(gè)控制點(diǎn)(添加控制點(diǎn)的數(shù)量與站位數(shù)量相等)，將光順度(stiffness)設(shè)定為“2(linear)”，生成第一個(gè)曲面，如圖6所示。重復(fù)上述步驟生成其它三個(gè)曲面。第三，改變曲面的光順度，移動(dòng)控制點(diǎn)調(diào)整曲面，使曲面盡量與曲線重合。第四，在菜單欄中選擇“surfaces”→“join surfaces”縫合曲面，完成游艇曲面建模，如圖7所示。

圖6 生成曲面

圖7 游艇船體曲面模型

四、結(jié)語

由于maxsurf的modeler模塊使用真的三維NURBS曲面建模方法進(jìn)行船體曲面建模，這極大地提高了游艇船體外型設(shè)計(jì)的速度。而且Maxsurf是擁有一套非常完整的適用于各種船舶設(shè)計(jì)、分析和建造的計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)和建造軟件，可將在Modeler模塊中建好的模型直接導(dǎo)入Maxsurf的其他模塊中進(jìn)行靜力學(xué)和船舶動(dòng)力學(xué)計(jì)算，有助于設(shè)設(shè)計(jì)師高效精確地完成船舶設(shè)計(jì)。目前，Maxsurf軟件分布在澳大利亞、中國(guó)、日本、德國(guó)、荷蘭、新加坡、美國(guó)等國(guó)家的1000多個(gè)船舶設(shè)計(jì)和建造用戶，在各種船舶設(shè)計(jì)和建造領(lǐng)域都得到了非常普遍的應(yīng)用。