基于NURBS表達(dá)的船舶初步設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、船舶初步設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)和建造中的核心環(huán)節(jié)，而船體曲面表達(dá)是船舶設(shè)計(jì)和建造的基礎(chǔ).目前，表達(dá)船體曲面主要有兩種方式：一是離散點(diǎn)表達(dá)，即常用的型值表表達(dá)法.其缺點(diǎn)是在設(shè)計(jì)及建造的不同階段，為了求取曲面上給定型值點(diǎn)之外點(diǎn)的坐標(biāo)值，要進(jìn)行大量的插值計(jì)算，不同的插值函數(shù)會(huì)得到不同的結(jié)果，造成曲面實(shí)際表達(dá)上的不唯一，從而帶來(lái)計(jì)算和建造的誤差；二是以數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)船體曲面，包括二維線框表達(dá)法和三維曲面片拼接法，類似離散點(diǎn)表達(dá)法，前者在求取線框以外型值點(diǎn)

2、時(shí)同樣存在插值誤差問(wèn)題，后者的缺點(diǎn)是，由于在相鄰曲面片拼接處的邊界條件復(fù)雜，為取得不同的連續(xù)階，處理起來(lái)比較困難和繁瑣.因此研究用單一曲面函數(shù)表達(dá)整個(gè)船體曲面，是解決上述問(wèn)題的有效途徑，也是將船舶二維設(shè)計(jì)推向三維設(shè)計(jì)高度的基本條件. 本文首先用單一NURBS(Non-UniformRationalB-Spline)函數(shù)對(duì)船體曲面進(jìn)行表達(dá)，然后以此為基礎(chǔ)，對(duì)船舶初步設(shè)計(jì)中所涉及的主要算法、主船體分艙、靜力性能計(jì)算以及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)

3、算等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了船體曲面表達(dá)的唯一性、計(jì)算的精確性和輸入數(shù)據(jù)的參數(shù)化，并引入智能算法. 船體曲面是由首尾圓弧曲面、首尾段的自由曲面和中部的解析曲面按不同的連續(xù)階拼接而成的復(fù)雜曲面，很難用同一張曲面進(jìn)行表達(dá)，所以二維線框或曲面片法仍是當(dāng)今船體曲面表達(dá)的主要方法.但如前所述，這兩種表達(dá)方法難以保證后續(xù)設(shè)計(jì)和計(jì)算的精度以及船舶建造的質(zhì)量.本文分別用單一NURBS函數(shù)對(duì)船體曲面、甲板和內(nèi)底內(nèi)殼進(jìn)行表達(dá)，保證了表達(dá)的唯一性，

4、同時(shí)使后續(xù)的性能計(jì)算和船舶的分段建造更方便和精確. 平面與曲面求交算法和幾何特性計(jì)算方法是主船體分艙和靜力性能計(jì)算的核心內(nèi)容.現(xiàn)有求交算法還沒(méi)有很好地解決平面與曲面相切、漏交和交線不連續(xù)等問(wèn)題，本文利用平面的半空間性質(zhì)，給出適合于任意可離散為四邊形單元的四邊形域曲面與平面求交的算法，使上述問(wèn)題得以很好解決；現(xiàn)有的幾何特性計(jì)算方法通用性差，處理任意截面積、局部表面積和局部體積的幾何特性比較困難，這里采用幾何特性組合的方法計(jì)算平面、

5、曲面以及空間區(qū)域的幾何特性，并將其用于靜力性能計(jì)算，提高計(jì)算精度. 將求交算法用于主船體虛擬分艙和生成船體結(jié)構(gòu)有限元建模所需的主要關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化虛擬分艙和有限元建模，提高了設(shè)計(jì)效率；將幾何特性計(jì)算方法具體應(yīng)用于與水線面、濕表面積、排水體積和艙容等相關(guān)的幾何特性計(jì)算，使靜水力特性、自由浮態(tài)、穩(wěn)性、自由液面修正的計(jì)算以及有限元模型中載荷的施加等更精確和方便，避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法中所引入假設(shè)和插值以及大量人工輸入數(shù)據(jù)所帶來(lái)的誤

6、差，得到更為合理的計(jì)算結(jié)果. 船舶浮心和回復(fù)力臂與船體型值和浮態(tài)之間的關(guān)系很難用確定的函數(shù)來(lái)表示，船體首尾形狀不對(duì)稱決定了要精確計(jì)算船舶浮態(tài)和穩(wěn)性必須考慮縱傾的影響，所以需要通過(guò)優(yōu)化方法來(lái)求解船舶自由浮態(tài)和最小穩(wěn)性問(wèn)題，而一般優(yōu)化方法如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng)可能導(dǎo)致無(wú)法得到全局最優(yōu)解甚至不收斂.本文將遺傳算法和模糊遺傳算法分別用于自由浮態(tài)和最小穩(wěn)性的優(yōu)化計(jì)算，并在計(jì)算中對(duì)算法進(jìn)行必要的改進(jìn)，提高了計(jì)算速度和精度. 研究和計(jì)算實(shí)例