參數化方法在潛艇外型三維設計中的應用

2013-05-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

周春凱來源:萬方數據
關鍵字:三維CAD 船舶艦船工程潛艇外型仿真軟件設計

利用潛艇外型設計所必需的型值等數據參數。采用數據庫分析處理技術和樣條插值方法,編制了仿真設計軟件,實現了潛艇三維外型的自動快速成型;根據設計者需要可以實時地更改型值參數,避免重復輸入大量繁瑣的數據,從而快速有效地進行潛艇的外型設計和優(yōu)化。

1 引言

目前,我國潛艇的三維外型設計主要是通過將潛艇各分段的數學型線公式生成的對應坐標點轉化為全船坐標,再將全船坐標轉化為樣條曲線,然后將樣條曲線輸入到大型的三維CAD設計軟件中,生成曲面,進行總體設計。這些大型的三維CAD設計軟件平臺本身大多數是從非參數化技術發(fā)展起來的,因此潛艇三維CAD設計大多采用非參數化建模方法。然而潛艇的外型設計須要考慮多方面的因素:既要考慮降低水動力噪聲(包括為螺旋槳創(chuàng)造良好的流場環(huán)境),為實現全艇降噪總目標作貢獻,又要考慮在滿足耐壓船體及其外部設備、構件布置的前提下,盡量壓縮艇體各部分的尺度和采用優(yōu)良的外型,以期在有限的主推進功率的條件下獲得較高的航速。因此,在潛艇外型設計中須要不斷調整型值數據以滿足潛艇設計及優(yōu)化的需要。由于三維CAD設計軟件的非參數化建模特性,這就要求潛艇設計人員須要不斷重復輸入大量的數據,計算工作量也很大,嚴重影響和制約了潛艇的外型設計。鑒于此,本文從潛艇外型三維設計參數化建模的角度出發(fā),利用潛艇外型設計所必需的型值等數據參數,采用數據庫分析處理技術和一些樣條插值方法,編制了潛艇外型三維參數化仿真設計軟件,實現了潛艇三維外型的自動快速成型;而且根據設計者需要可以實時地更改型值參數和相關數據,能夠避免重復輸人大量繁瑣的數據,從而快速有效地進行潛艇的外型設計和優(yōu)化,為潛艇的總體設計研究和性能預估提供幫助。

2.潛艇外型的幾何描述

潛艇外型部分包括基本主艇體、上層建筑、指揮室圍殼以及圍殼舵、方向舵、升降舵、垂直翼和水平翼等,其幾何描述如圖1所示。

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2.1基本主艇體

基本主艇體的外形用三條外形輪廓線可得到充分的描述:去流段為以F1(z)為母線繞艇體中心線旋轉形成的軸對稱回轉體;進流段艇體中心線以上部分為以F2(z)為母線繞艇體中心線旋轉形成的半橢球體;進流段艇體中心線以下部分的橫剖面形狀為以F2(z)的值為短軸以F3(z)的值為長軸形成的半橢圓。進流段與去流段之間為平行中體。

2.2上層建筑

上層建筑的外形輪廓用八條外形輪廓線可得到充分的描述。其中F4(x)、F5(z)、F6(z)、F7(z)分別為上層建筑前體部分甲板升高線、甲板角點半寬線、甲板平面部分半寬線、上層建筑側壁與基本主艇體接縫的高度線;F8(z)、F9(z)、F10(z)、F11(z)分別為上層建筑后體部分甲板升高線、甲板角點半寬線、甲板平面部分半寬線、上層建筑側壁與基本主艇體接縫的高度線。

2.3指揮室圍殼

指揮室圍殼的外形輪廓用四條外形輪廓線可得到充分的描述。其中Fml(z)、Fr02(z)、Fm3(z)、Fr04(z)分別為指揮室圍殼前體部分水平剖面半寬線、頂端轉角高度線和圍殼后體部分水平剖面半寬線、頂端轉角高度線。

2.4操縱面

操縱面由多個部件組成,包括圍殼舵、方向舵、升降舵以及垂直翼和水平翼等。每一部件均通過兩個典型剖面確定其外形,典型剖面選用性能優(yōu)良的標準對稱翼型。

    3參數化仿真技術

3.1參數化方法

潛艇外型三維參數化設計和參數化建模方法可以通過數據庫分析處理技術得以實現。在數據庫中輸入潛艇各個部分的幾何參數(包括縱向以及橫向剖分數)和型值,由數據庫進行計算和分析處理,借助數據表之間的關系自動生成潛艇外型三維參數化設計所需要的各部分坐標數據。通過編制的三維仿真軟件可以實時更改數據庫中的數據參數,從而實現潛艇外型三維參數化設計。

3.1.1數據庫需求分析

針對潛艇三維外型參數化設計和型值數據計算分析的需要,設計的數據庫數據項和數據結構如下:

①基本主艇體信息,包括距舯位置、圓心高度、短軸半徑、長軸半徑、潛艇型號等,另外還包括主艇體縱向和橫向剖分數;
②上層建筑信息,包括距舯位置、圓心高度、甲板高度、甲板角點半寬、甲板平面半寬、甲板與艇體交點處高度、潛艇型號等,以及上層建筑縱向和橫向剖分數;
    ③指揮室圍殼信息,包括肋骨號、距舯位置、水線半寬、潛艇型號、圍殼高度、圍殼縱向剖分數、圍殼橫向剖分數等;
④舵、翼信息,包括距舯位置、百分比x%、舵翼剖面的型值、距離基線高度、潛艇型號、舵翼縱向剖分數、舵翼橫向剖分數等;
    ⑤潛艇外型各部分插值點數據信息,包括插值個數、距舯位置、半寬、距基線高度、潛艇型號等;
⑥潛艇外型各部分坐標數據信息,包括坐標個數、距舯位置X值、半寬y值、距基線高度Z值等。

3.1.2數據庫概念結構設計

數據庫概念結構設計是在需求分析的基礎上,設計出能滿足潛艇外型三維參數化設計所需求的各種實體以及它們之間的關系,為數據庫邏輯結構設計打下基礎。根據上述設計進而規(guī)劃出的實體有基本主艇體實體、上層建筑實體、指揮室圍殼實體、圍殼舵實體、方向舵實體、升降舵實體、垂直翼實體和水平翼實體以及插值數據實體、艇體坐標數據實體等。

以指揮室圍殼實體為例,該實體E-R圖及其關系描述,如圖2所示。

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3.1.3數據庫邏輯結構設計

在上面的實體以及實體之間的關系的基礎上,形成潛艇三維外型數據庫中的表格和各個表格之間的關系。每個表格表示在數據庫中的一個表。以指揮室圍殼為例,其型值表如表1所示。指揮室圍殼坐標數據表如表2所示。

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3.2三維圖形仿真技術

3.2.1 圖形支撐系統(tǒng)簡介

圖形支撐系統(tǒng)是一個獨立于窗口操作系統(tǒng)、與硬件無關的三維圖形軟件接口,實際上是一個三維圖形和模型庫,用于訪問和操作圖形硬件所提供的各種功能。圖形支撐系統(tǒng)通過基本的幾何圖元--點、線、多邊形和曲面來建立幾何模型,用戶則可以通過這些基本圖元來建立高級復雜的幾何模型和場景。

歸納起來,圖形支撐系統(tǒng)提供的主要功能有:圖形繪制、變換操作、顏色模式、光照、反走樣和融合、紋理映射以及交互與動畫等。

3.2.2樣條插值方法

在潛艇外型三維參數化仿真設計過程中,由于提供的型值數據僅位于有限個站號和肋位上,不足以繪制出真實感很強、精確度很高的三維仿真圖形,對于曲率變化較大的不規(guī)則曲面而言尤其如此。因此,必須對提供的型值數據進行插值,生成更多的型值點,以滿足三維仿真模型繪制的精度要求,并保證模型的光順性。

    4三維仿真軟件設計

4.1軟件結構框架設計

潛艇外型三維參數化仿真設計軟件(簡稱SSPD)是以OpenGL為圖形支撐系統(tǒng),用Visual C++程序語言進行編制。軟件的結構框架為文檔/視圖結構,采用MFC提供的單文檔模板,其中包含四個主要的應用程序類:

    ①文檔類CSSPDDoc;
    ②視圖類CSSPDView;
    ③主框架類CMainFrame;
    ④應用程序類CSSPDApp。

軟件界面以及潛艇外型三維參數化仿真設計效果如圖3所示。

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    4.2軟件模塊結構劃分

潛艇外型三維參數化仿真設計軟件是一個較為復雜的三維圖形功能軟件,設計軟件的整體結構尤為重要。主要的考慮包括:要設計哪些主要的類;這些主要類之間的關系怎樣,例如類之間的繼承和派生關系;類之間的消息傳遞和數據交換等。

    由于潛艇外型三維參數化仿真設計軟件系統(tǒng)功能較復雜,類的數量較多,必須進行軟件功能模塊的劃分。潛艇外型三維參數化仿真設計軟件由可執(zhí)行程序SSPD.exe和五個動態(tài)鏈接庫(即軟件運行時的模塊)組成,即數值計算庫Math.dll、幾何工具庫Jihe.dll、圖形工具庫Tuxing.dll、幾何內核庫Neihe.dll和窗口界面庫Jiemian.dll。這些軟件模塊相互之間以及它們與MFC基本類庫之間的層次關系如圖4所示。

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五個動態(tài)鏈接庫的功能介紹如下:

    (1)數值計算模塊Math.dll:該模塊主要輸出數值計算函數,用于矩陣運算、線性方程組的求解、非線性方程與方程組的求解、插值運算、數值積分;
    (2)幾何工具模塊Jihe.dll:該模塊主要輸出基本幾何對象類與幾何計算函數,如點、矢量以及相關的計算函數,圖形工具模塊和幾何內核模塊都建立在該模塊基礎之上;
    (3)圖形工具模塊Tuxing.dll:該模塊輸出一系列用于三維圖形繪制的C++類,完成三維幾何體的光照顯示、視角變換、顯示縮放及顏色設置等,該模塊建立在MFC及幾何工具模塊的輸出類基礎之上;
    (4)幾何內核模塊Neihe.dll:該模塊輸出一系列用于描述和管理三維幾何對象模型的類,它通過調用圖形工具模塊Tuxing.dll進行幾何體以及三維模型的繪制;
    (5)窗口界面模塊Jiemian.dll:該模塊輸出一些增強界面效果的浮動窗口類,如窗口界面的左側浮動窗口(用于管理潛艇各部分實體的顯示和編輯)以及底部的浮動窗口(用于顯示拾取的實體信息)。

    4.3軟件功能介紹

    潛艇外型三維參數化仿真設計軟件的功能全面,除基本的參數化建模和三維圖形繪制功能之外,還包括以下幾個主要方面:

    ①視圖選擇功能(如左視圖、俯視圖、軸側圖等);
    ②視圖縮放和移動功能(如放大、縮小、平移、旋轉等);
    ③視圖拾取功能(如選擇操作、拾取信息顯示等);
    ④場景渲染功能;
    ⑤背景和光源顏色設置功能;
    ⑧窗口管理功能(如全屏顯示、打開/隱藏浮動窗口等);
    ⑦文件管理功能(如新建、打開、保存、捕捉動畫、保存圖像等);
    ⑧文件打印功能(如打印、打印預覽、打印設置等)。

5 結論

綜上所述,利用潛艇外型設計所必需的型值等數據參數,采用數據庫分析處理技術和樣條插值方法,實現了潛艇外型三維設計參數化建模,從而可以快速有效地進行潛艇的外型設計和優(yōu)化。效果圖顯示三維外型設計參數化建模方法正確有效(該方法已獲國防專利受理,編號為200610120285.8)。所編制的潛艇外型三維參數化仿真設計軟件功能全面、模塊結構清晰、操作簡單、運行可靠,有效地滿足了潛艇的總體設計研究和性能預估的需要。