復雜船體曲面的一種草圖重疊建模法

李 堯，陳仲銘，嚴 謹，余澤濤，黃康康

(1.廣東海洋大學 海洋工程學院，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

隨著計算機技術的發展，派生出了基于計算機的圍繞船舶與海洋工程裝備的大型工程分析、仿真計算等領域，如有限元法計算結構強度、CFD方法模擬船舶周圍擾流計算阻力等，這些領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雜曲面的精確建模，雖然全回轉體曲面造型技術在汽車、飛機、導彈等領域應用成熟[1-3]，但船體建模更多的是解決更加復雜的非回轉體曲面的建模問題。對此，很多學者利用AutoCAD、CAXA、CATIA、SPD等工具開展了基于參數化或二次開發的建模研究[4-7]，并提供了許多思路，但這些方法對計算機技術要求較高，不易推廣。本文旨在提供一種更加簡單快捷的復雜曲面的建模思路，研究對象是可直接用于數值計算的三維分析模型。在SolidWorks軟件環境下，綜合利用分段放樣、草圖重疊以及曲面重構技術[8]建立符合要求的三維實體模型，并將該方法應用于三個船型實例。

1 復雜船體曲面建模

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構，從船艏至船艉殼體結構復雜多變，曲面曲率變化大，無法利用簡單的曲面放樣技術一次性完成建模。

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中導入CAD橫剖面型線圖，再根據型線圖站位劃分情況建立與前視基準面平行的基準面。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，把圖片直接導入到SolidWorks中進行縮放；二是在導入完整型線圖后，依次對各站面重新臨摹并對應橫剖線草圖形成新的樣條曲線。通過實踐發現：當型線圖型線的節點密集時，用第一種方法在SolidWorks中處理線條操作繁復，因此采用第二種方法。圖1為根據原始數據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，再進行曲面的縫合。分段放樣的關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面創建三個草圖，在進行曲面縫合時，為防止出現偏差導致縫合失敗，兩個面的端部必須位于同一個基準面，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轉換后需要進一步優化，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行同樣處理。

1.3 型線的加密及分段放樣

經過上述工作，模型進入放樣階段。當型線圖給出的球鼻首和船艏尖橫剖線數據不足時，會導致端部無法放樣或者放樣的結果與原船出入很大。參考逆向工程中基于實物圖像的數據處理與曲面重構技術來完成對復雜曲面的精準建模，劃分更多球鼻首和船艏尖的橫剖線和輪廓線，使其完整準確地描述出來。根據實物圖像，用樣條曲線對球鼻首和船艏尖橫剖線進行加密和端部補充。由于增加的線條隸屬于不同的基準面，為了更好地表達輪廓，還需要建立不同視圖的基準面。加密結果如圖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加密補充前圖7加密補充后

為了達到創建復雜曲面的目的，還需要對已有曲面進行縫合、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)，最后建立內部構件，最終完成整個散貨船的三維實體建模。

圖8 放樣結果

2 應用實例

2.1 應用建模實例

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雜曲面結構的船體建模均適用，應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構過渡復雜，將其分成7段放樣(如圖10所示)。區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數值模擬。

圖9 52英尺雙體船三維模型圖10分段放樣區域

2.2 模型應用計算實例

應用草圖疊加分段放樣方法能夠快速建立具有復雜曲面的船舶或者海上結構物分析模型，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格劃分圖，其中流場計算域設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進行求解，采用VOF法，入口處速度為該船設計航速6.2 m/s，模擬環境為靜水航行，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與利用ITTC1957摩擦阻力因數的估算公式估算值相近，說明數值模擬計算的阻力數值區間合理。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數值模擬、有限元強度計算的可靠性。

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 結論

本文基于分段放樣方法，提出了一種草圖疊加的復雜型面實體建模方法，給出了在SolidWorks軟件環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構物復雜曲面建模問題上應用效果顯著。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