參數(shù)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(shù)據(jù)
關(guān)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(shù)據(jù)參數(shù)。采用數(shù)據(jù)庫分析處理技術(shù)和樣條插值方法,編制了仿真設計軟件,實現(xiàn)了潛艇三維外型的自動快速成型;根據(jù)設計者需要可以實時地更改型值參數(shù),避免重復輸入大量繁瑣的數(shù)據(jù),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(shù)學型線公式生成的對應坐標點轉(zhuǎn)化為全船坐標,再將全船坐標轉(zhuǎn)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(shù)是從非參數(shù)化技術(shù)發(fā)展起來的,因此潛艇三維CAD設計大多采用非參數(shù)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(xiàn)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(gòu)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(diào)整型值數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù),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(shù)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(shù)據(jù)參數(shù),采用數(shù)據(jù)庫分析處理技術(shù)和一些樣條插值方法,編制了潛艇外型三維參數(shù)化仿真設計軟件,實現(xiàn)了潛艇三維外型的自動快速成型;而且根據(jù)設計者需要可以實時地更改型值參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù),能夠避免重復輸人大量繁瑣的數(shù)據(jù),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。

參數(shù)化方法在潛艇外型三維設計中的應用+培訓資料圖片1

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(zhuǎn)形成的軸對稱回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)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(cè)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(zhuǎn)角高度線和圍殼后體部分水平剖面半寬線、頂端轉(zhuǎn)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(shù)化仿真技術(shù)

3.1參數(shù)化方法

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

3.1.1數(shù)據(jù)庫需求分析

針對潛艇三維外型參數(shù)化設計和型值數(shù)據(jù)計算分析的需要,設計的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù);
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(shù);
    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(shù)、圍殼橫向剖分數(shù)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(shù)、舵翼橫向剖分數(shù)等;
    ⑤潛艇外型各部分插值點數(shù)據(jù)信息,包括插值個數(shù)、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(shù)據(jù)信息,包括坐標個數(shù)、距舯位置X值、半寬y值、距基線高度Z值等。

3.1.2數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設計

數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)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(shù)化設計所需求的各種實體以及它們之間的關(guān)系,為數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設計打下基礎。根據(jù)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(shù)據(jù)實體、艇體坐標數(shù)據(jù)實體等。

以指揮室圍殼實體為例,該實體E-R圖及其關(guān)系描述,如圖2所示。

參數(shù)化方法在潛艇外型三維設計中的應用+培訓資料圖片2

3.1.3數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設計

在上面的實體以及實體之間的關(guān)系的基礎上,形成潛艇三維外型數(shù)據(jù)庫中的表格和各個表格之間的關(guān)系。每個表格表示在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表如表2所示。

參數(shù)化方法在潛艇外型三維設計中的應用+培訓資料圖片3

參數(shù)化方法在潛艇外型三維設計中的應用+培訓資料圖片4

3.2三維圖形仿真技術(shù)

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(guān)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(shù)化仿真設計過程中,由于提供的型值數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)框架設計

潛艇外型三維參數(shù)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(jié)構(gòu)框架為文檔/視圖結(jié)構(gòu),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(shù)化仿真設計效果如圖3所示。

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    4.2軟件模塊結(jié)構(gòu)劃分

潛艇外型三維參數(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)系怎樣,例如類之間的繼承和派生關(guān)系;類之間的消息傳遞和數(shù)據(jù)交換等。

    由于潛艇外型三維參數(shù)化仿真設計軟件系統(tǒng)功能較復雜,類的數(shù)量較多,必須進行軟件功能模塊的劃分。潛艇外型三維參數(shù)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(shù)值計算庫Math.dll、幾何工具庫Jihe.dll、圖形工具庫Tuxing.dll、幾何內(nèi)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(guān)系如圖4所示。

參數(shù)化方法在潛艇外型三維設計中的應用+培訓資料圖片6

五個動態(tài)鏈接庫的功能介紹如下:

    (1)數(shù)值計算模塊Math.dll:該模塊主要輸出數(shù)值計算函數(shù),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(shù)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(shù),如點、矢量以及相關(guān)的計算函數(shù),圖形工具模塊和幾何內(nèi)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(nèi)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(diào)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(cè)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(shù)化仿真設計軟件的功能全面,除基本的參數(shù)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(cè)圖等);
    ②視圖縮放和移動功能(如放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)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(jié) 論

綜上所述,利用潛艇外型設計所必需的型值等數(shù)據(jù)參數(shù),采用數(shù)據(jù)庫分析處理技術(shù)和樣條插值方法,實現(xiàn)了潛艇外型三維設計參數(shù)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(shù)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(shù)化仿真設計軟件功能全面、模塊結(jié)構(gòu)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。