复杂船体曲面的一种草图重叠建模法

李 尧，陈仲铭，严 谨，余泽涛，黄康康

(1.广东海洋大学 海洋工程学院，广东 湛江 524000; 2.广州中船文冲船坞有限公司， 广东 广州 511462)

0 引言

随着计算机技术的发展，派生出了基于计算机的围绕船舶与海洋工程装备的大型工程分析、仿真计算等领域，如有限元法计算结构强度、CFD方法模拟船舶周围扰流计算阻力等，这些领域通常都需要建立完整或者局部简化的三维实体模型。解决船舶三维实体建模的难点在于对复杂曲面的精确建模，虽然全回转体曲面造型技术在汽车、飞机、导弹等领域应用成熟[1-3]，但船体建模更多的是解决更加复杂的非回转体曲面的建模问题。对此，很多学者利用AutoCAD、CAXA、CATIA、SPD等工具开展了基于参数化或二次开发的建模研究[4-7]，并提供了许多思路，但这些方法对计算机技术要求较高，不易推广。本文旨在提供一种更加简单快捷的复杂曲面的建模思路，研究对象是可直接用于数值计算的三维分析模型。在SolidWorks软件环境下，综合利用分段放样、草图重叠以及曲面重构技术[8]建立符合要求的三维实体模型，并将该方法应用于三个船型实例。

1 复杂船体曲面建模

1.1 建模过程

以某灵敏型散货船为例，流线型的船体有利于降低阻力提高航速，带球艏的船艏有利于减小兴波，船艉处开有轴隧孔用于安装螺旋桨，船舯则类似于平行中体结构，从船艏至船艉壳体结构复杂多变，曲面曲率变化大，无法利用简单的曲面放样技术一次性完成建模。

船体曲面的建模一般采用型线放样，放样的轮廓线为各站位的横剖线。在SolidWorks中导入CAD横剖面型线图，再根据型线图站位划分情况建立与前视基准面平行的基准面。各站面横剖面轮廓线的绘制通常有两种方法：一是在型线图中将横剖线剪切出来，把图片直接导入到SolidWorks中进行缩放；二是在导入完整型线图后，依次对各站面重新临摹并对应横剖线草图形成新的样条曲线。通过实践发现：当型线图型线的节点密集时，用第一种方法在SolidWorks中处理线条操作繁复，因此采用第二种方法。图1为根据原始数据建立的某灵敏型散货船横剖线图。

图1 某灵敏型散货船横剖线图

1.2 草图叠加法

由于该散货船带有球鼻首，沿船长方向曲率变化较大，而且船尾部分船体连接有断层情况，因此这里把船体分成5段放样，分别为船艏尖、球鼻首、艏部到船舯、船舯到螺旋桨部位、船艉，再进行曲面的缝合。分段放样的关键是保证最终船体曲面的光滑性，难点在于船艏、船艉与中体的连接处。因此需要在一个基准面创建三个草图，在进行曲面缝合时，为防止出现偏差导致缝合失败，两个面的端部必须位于同一个基准面，面和面缝合时缝合部位的两个面端线必须在同一个位置，在草图上看到的是该基准面上所有草图叠加的情况，如图2所示。实际连接处所在站位上的轮廓线由图3、图4、图5叠加而成，其中参与艉部放样的草图经转换后需要进一步优化，既要符合型线图的要求，也不能影响艉部的曲面放样。同理，对球鼻首曲面和船艏尖曲面在艏部到船舯的曲面连接也进行同样处理。

1.3 型线的加密及分段放样

经过上述工作，模型进入放样阶段。当型线图给出的球鼻首和船艏尖横剖线数据不足时，会导致端部无法放样或者放样的结果与原船出入很大。参考逆向工程中基于实物图像的数据处理与曲面重构技术来完成对复杂曲面的精准建模，划分更多球鼻首和船艏尖的横剖线和轮廓线，使其完整准确地描述出来。根据实物图像，用样条曲线对球鼻首和船艏尖横剖线进行加密和端部补充。由于增加的线条隶属于不同的基准面，为了更好地表达轮廓，还需要建立不同视图的基准面。加密结果如图6、图7所示。

图2草图叠加图3草图1图4草图2图5草图3

图6加密补充前图7加密补充后

为了达到创建复杂曲面的目的，还需要对已有曲面进行缝合、延伸、剪裁等[9]。在完成了对横剖面轮廓线的绘制后，依次对船体5个部分进行放样，再利用曲面造型方法完成对整个壳体的曲面建模(如图8所示)，最后建立内部构件，最终完成整个散货船的三维实体建模。

图8 放样结果

2 应用实例

2.1 应用建模实例

草图叠加分段放样法除了用于普通大型商船的建模外，对游艇、新型高速船、渔船、各型海洋工程船等各种复杂曲面结构的船体建模均适用，应用草图叠加分段放样法建立了52英尺双体船模型(如图9所示)，由于连接桥与片体之间结构过渡复杂，将其分成7段放样(如图10所示)。区域连接处的剖面草图轮廓线是由多个草图叠加而成，保证了最终曲面放样能够在端面上完美缝合。图11为应用新方法建立的某海洋渔船模型，以上所建模型可直接用于有限元计算或CFD数值模拟。

图9 52英尺双体船三维模型图10分段放样区域

2.2 模型应用计算实例

应用草图叠加分段放样方法能够快速建立具有复杂曲面的船舶或者海上结构物分析模型，本文给出了利用该方法建立的灵敏型散货船CFD模型的计算实例。图12为用新方法建立的三维模型及流场网格划分图，其中流场计算域设定为船首端向前延伸0.25倍船长、船尾端向后延伸2倍船长、船宽方向延伸3倍半宽、深度方向延伸5倍吃水，整个长方体(长×宽×高)尺寸为260 000 mm×26 000 mm×45 000 mm。流场域利用Fluent进行求解，采用VOF法，入口处速度为该船设计航速6.2 m/s，模拟环境为静水航行，通过计算，全船的压差升力为47 956.3 kN，竖直方向的总升力为47 954.9 kN。计算获得的摩擦阻力因数与利用ITTC1957摩擦阻力因数的估算公式估算值相近，说明数值模拟计算的阻力数值区间合理。从总压力云图(如图13所示)及全船流线云图可以看出，压力分布及速度矢量在船艏、艉曲面分段处过渡很自然，可知所建模型船身流线平滑，线型优良，说明了利用草图叠加分段放样建模法能够保证所建曲面模型的精度，从而间接提高了CFD数值模拟、有限元强度计算的可靠性。

图11 某渔船三维模型

图12 散货船三维模型及流场划分模型图

3 结论

本文基于分段放样方法，提出了一种草图叠加的复杂型面实体建模方法，给出了在SolidWorks软件环境下的某灵敏型散货船船体、52英尺双体船、渔船三个建模实例，新方法在解决船舶与海上结构物复杂曲面建模问题上应用效果显著。通过将采用新方法建立的散货船模型用于CFD数值计算实例，验证了草图叠加分段放样法建立模型的可靠性。此外，新方法并不依赖于SolidWorks软件环境，对其他大型三维建模软件、有限元软件同样适用。

图13 总压力分布云图