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原文传递基于NURBS表达的船舶初步设计关键技术研究

论文题名：	基于NURBS表达的船舶初步设计关键技术研究
关键词：	船舶CAD;NURBS;船体曲面;虚拟分舱;自由浮态;多目标约束优化;遗传算法;有限元分析
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-UniformRationalB-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，避免了传统二维设计方法中所引入假设和插值以及大量人工输入数据所带来的误差，得到更为合理的计算结果. 船舶浮心和回复力臂与船体型值和浮态之间的关系很难用确定的函数来表示，船体首尾形状不对称决定了要精确计算船舶浮态和稳性必须考虑纵倾的影响，所以需要通过优化方法来求解船舶自由浮态和最小稳性问题，而一般优化方法如果参数设置不当可能导致无法得到全局最优解甚至不收敛.本文将遗传算法和模糊遗传算法分别用于自由浮态和最小稳性的优化计算，并在计算中对算法进行必要的改进，提高了计算速度和精度. 研究和计算实例表明，用单一NURBS函数实现对船体曲面的数学表达，总结船舶初步设计中所涉及的主要算法—平面与曲面求交算法和几何特性计算方法，将其用于参数化分舱和船体结构有限元建模，进行相关静力性能计算，并引入智能算法，可避免在船舶设计及建造的不同阶段由于表达的不唯一、引入假设和插值所造成的计算误差，可以提高船舶设计精度和效率以及建造质量.
作者：	陆丛红
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	林焰;纪卓尚
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文