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原文传递面向复杂船型的参数化设计方法研究

论文题名：	面向复杂船型的参数化设计方法研究
关键词：	船体曲面;优化设计;参数化模型
摘要：	随着基于仿真的设计（Simulation Based Design，SBD）和多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）等优化技术在船舶设计中获得越来越广泛的应用，而船体曲面的参数化模型作为整个船舶优化设计过程中的模型基础，对优化技术的实际应用有着举足轻重的作用，因此如何建立有效的船体参数化模型便成为急需解决的关键问题。　　通常船体曲面的建模可分为三种类型：传统建模方法、部分参数化建模方法和全参数化建模方法。其中传统建模方法是以船体的离散型值为数据基础，然后以所谓的“点——线——面”的建模方式对船体曲面进行建模。部分参数化建模方法是以传统建模方法提供的曲面模型为基础，对其进行参数化变换，因此部分参数化建模方法的适用性根本上依赖于传统建模方法提供的基础模型。全参数化建模方法是一种完全由参数定义曲面的建模方法，该方法摆脱了传统的型值，船体曲面通过一组形状参数集来唯一定义，全参数化建模方法由于采用了高层级的定义描述符——形状参数，因此是目前最为高级的一种船体建模方法。　　虽然SBD和MDO已经逐渐开始应用于船舶设计，但是由于目前在船体参数化建模方面还存在较大的不足，特别是对于带艏艉大曲率变化特征的复杂船型，这极大的限制了船舶优化设计的应用和推广，因此论文针对复杂船体曲面的参数化设计进行了深入的研究，涉及的内容包括复杂船体曲面的精确重构方法，复杂船型的全参数化设计方法以及针对曲线曲面光顺不变量和光顺性泛函的构造和分析。　　论文的主要内容包括以下几个方面：　　1.船体曲面重构方法的改进　　目前大多数设计人员都是通过传统建模方法进行建模，该方法非常依赖于设计者的经验，而且对于复杂船型的建模也存在较大的不足，主要的问题是由于艏艉曲面曲度较大，而型值仅仅是有限的离散数据，因此在表达这部分区域的曲面时往往存在较大的问题。本论文以传统的插值和逼近理论为基础，通过构造广义站线的方式来得到船体曲面的轮廓曲线，然后采用改进的曲面放样法来获得精确的船体曲面模型。　　2.复杂船型的全参数化设计方法　　这部分内容以前人提出的简单船型全参数化设计方法为基础，首先针对复杂船型的各类横剖线构造了完整的形状参数集，不同的剖面型式对应于不同类型的形状参数。由于各形状参数之间并不是完全独立的，因此论文进一步研究了参数间存在的关联和耦合关系，从而使设计者在建模和后续优化过程中能够合理选定参数值以及参数的可行域。　　根据之前构造的形状参数集并以NURBS为曲线的数学表达方法，提出了船体曲线的参数化建模方法，构造了形状参数到船体曲线之间的映射关系，并提出了基于母型几何特征的形状参数提取方法，之后给出了各类曲线设计实例，论证了本方法的适用性、灵活性和光顺性。　　以参数化设计方法构造的船体曲线为基础，首先分析了设计横剖线的配置和船体曲面的分片准则；然后采用改进的曲面放样法来构造船体曲面模型；最后通过实例验证了本船体曲面参数化建模方法的有效性。　　3.曲线曲面的光顺不变量和光顺性泛函的构造和分析　　针对目前近似的线性化和离散化泛函可能存在的问题，本论文通过分析曲线和曲面的二阶和三阶性态，考虑沿所有曲面上点的切平面方向的法曲率和法曲率变化，提出了曲面的两个几何不变量作为船体的光顺性度量，并以这两个光顺不变量为基础构造了光顺性泛函用于船体曲面的光顺设计。通过分析不同泛函对曲面外形的影响，从而指导设计者根据不同设计要求来选择相应的光顺性泛函。
作者：	董枫
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	陈顺怀
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文