参数化方法在潜艇外型三维设计中的应用

2013-05-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

周春凯来源:万方数据
关键字:三维CAD 船舶舰船工程潜艇外型仿真软件设计

利用潜艇外型设计所必需的型值等数据参数。采用数据库分析处理技术和样条插值方法,编制了仿真设计软件,实现了潜艇三维外型的自动快速成型;根据设计者需要可以实时地更改型值参数,避免重复输入大量繁琐的数据,从而快速有效地进行潜艇的外型设计和优化。

1 引言

目前,我国潜艇的三维外型设计主要是通过将潜艇各分段的数学型线公式生成的对应坐标点转化为全船坐标,再将全船坐标转化为样条曲线,然后将样条曲线输入到大型的三维CAD设计软件中,生成曲面,进行总体设计。这些大型的三维CAD设计软件平台本身大多数是从非参数化技术发展起来的,因此潜艇三维CAD设计大多采用非参数化建模方法。然而潜艇的外型设计须要考虑多方面的因素:既要考虑降低水动力噪声(包括为螺旋桨创造良好的流场环境),为实现全艇降噪总目标作贡献,又要考虑在满足耐压船体及其外部设备、构件布置的前提下,尽量压缩艇体各部分的尺度和采用优良的外型,以期在有限的主推进功率的条件下获得较高的航速。因此,在潜艇外型设计中须要不断调整型值数据以满足潜艇设计及优化的需要。由于三维CAD设计软件的非参数化建模特性,这就要求潜艇设计人员须要不断重复输入大量的数据,计算工作量也很大,严重影响和制约了潜艇的外型设计。鉴于此,本文从潜艇外型三维设计参数化建模的角度出发,利用潜艇外型设计所必需的型值等数据参数,采用数据库分析处理技术和一些样条插值方法,编制了潜艇外型三维参数化仿真设计软件,实现了潜艇三维外型的自动快速成型;而且根据设计者需要可以实时地更改型值参数和相关数据,能够避免重复输人大量繁琐的数据,从而快速有效地进行潜艇的外型设计和优化,为潜艇的总体设计研究和性能预估提供帮助。

2.潜艇外型的几何描述

潜艇外型部分包括基本主艇体、上层建筑、指挥室围壳以及围壳舵、方向舵、升降舵、垂直翼和水平翼等,其几何描述如图1所示。

参数化方法在潜艇外型三维设计中的应用+培训资料图片1

2.1基本主艇体

基本主艇体的外形用三条外形轮廓线可得到充分的描述:去流段为以F1(z)为母线绕艇体中心线旋转形成的轴对称回转体;进流段艇体中心线以上部分为以F2(z)为母线绕艇体中心线旋转形成的半椭球体;进流段艇体中心线以下部分的横剖面形状为以F2(z)的值为短轴以F3(z)的值为长轴形成的半椭圆。进流段与去流段之间为平行中体。

2.2上层建筑

上层建筑的外形轮廓用八条外形轮廓线可得到充分的描述。其中F4(x)、F5(z)、F6(z)、F7(z)分别为上层建筑前体部分甲板升高线、甲板角点半宽线、甲板平面部分半宽线、上层建筑侧壁与基本主艇体接缝的高度线;F8(z)、F9(z)、F10(z)、F11(z)分别为上层建筑后体部分甲板升高线、甲板角点半宽线、甲板平面部分半宽线、上层建筑侧壁与基本主艇体接缝的高度线。

2.3指挥室围壳

指挥室围壳的外形轮廓用四条外形轮廓线可得到充分的描述。其中Fml(z)、Fr02(z)、Fm3(z)、Fr04(z)分别为指挥室围壳前体部分水平剖面半宽线、顶端转角高度线和围壳后体部分水平剖面半宽线、顶端转角高度线。

2.4操纵面

操纵面由多个部件组成,包括围壳舵、方向舵、升降舵以及垂直翼和水平翼等。每一部件均通过两个典型剖面确定其外形,典型剖面选用性能优良的标准对称翼型。

    3参数化仿真技术

3.1参数化方法

潜艇外型三维参数化设计和参数化建模方法可以通过数据库分析处理技术得以实现。在数据库中输入潜艇各个部分的几何参数(包括纵向以及横向剖分数)和型值,由数据库进行计算和分析处理,借助数据表之间的关系自动生成潜艇外型三维参数化设计所需要的各部分坐标数据。通过编制的三维仿真软件可以实时更改数据库中的数据参数,从而实现潜艇外型三维参数化设计。

3.1.1数据库需求分析

针对潜艇三维外型参数化设计和型值数据计算分析的需要,设计的数据库数据项和数据结构如下:

①基本主艇体信息,包括距舯位置、圆心高度、短轴半径、长轴半径、潜艇型号等,另外还包括主艇体纵向和横向剖分数;
②上层建筑信息,包括距舯位置、圆心高度、甲板高度、甲板角点半宽、甲板平面半宽、甲板与艇体交点处高度、潜艇型号等,以及上层建筑纵向和横向剖分数;
    ③指挥室围壳信息,包括肋骨号、距舯位置、水线半宽、潜艇型号、围壳高度、围壳纵向剖分数、围壳横向剖分数等;
④舵、翼信息,包括距舯位置、百分比x%、舵翼剖面的型值、距离基线高度、潜艇型号、舵翼纵向剖分数、舵翼横向剖分数等;
    ⑤潜艇外型各部分插值点数据信息,包括插值个数、距舯位置、半宽、距基线高度、潜艇型号等;
⑥潜艇外型各部分坐标数据信息,包括坐标个数、距舯位置X值、半宽y值、距基线高度Z值等。

3.1.2数据库概念结构设计

数据库概念结构设计是在需求分析的基础上,设计出能满足潜艇外型三维参数化设计所需求的各种实体以及它们之间的关系,为数据库逻辑结构设计打下基础。根据上述设计进而规划出的实体有基本主艇体实体、上层建筑实体、指挥室围壳实体、围壳舵实体、方向舵实体、升降舵实体、垂直翼实体和水平翼实体以及插值数据实体、艇体坐标数据实体等。

以指挥室围壳实体为例,该实体E-R图及其关系描述,如图2所示。

参数化方法在潜艇外型三维设计中的应用+培训资料图片2

3.1.3数据库逻辑结构设计

在上面的实体以及实体之间的关系的基础上,形成潜艇三维外型数据库中的表格和各个表格之间的关系。每个表格表示在数据库中的一个表。以指挥室围壳为例,其型值表如表1所示。指挥室围壳坐标数据表如表2所示。

参数化方法在潜艇外型三维设计中的应用+培训资料图片3

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3.2三维图形仿真技术

3.2.1 图形支撑系统简介

图形支撑系统是一个独立于窗口操作系统、与硬件无关的三维图形软件接口,实际上是一个三维图形和模型库,用于访问和操作图形硬件所提供的各种功能。图形支撑系统通过基本的几何图元--点、线、多边形和曲面来建立几何模型,用户则可以通过这些基本图元来建立高级复杂的几何模型和场景。

归纳起来,图形支撑系统提供的主要功能有:图形绘制、变换操作、颜色模式、光照、反走样和融合、纹理映射以及交互与动画等。

3.2.2样条插值方法

在潜艇外型三维参数化仿真设计过程中,由于提供的型值数据仅位于有限个站号和肋位上,不足以绘制出真实感很强、精确度很高的三维仿真图形,对于曲率变化较大的不规则曲面而言尤其如此。因此,必须对提供的型值数据进行插值,生成更多的型值点,以满足三维仿真模型绘制的精度要求,并保证模型的光顺性。

    4三维仿真软件设计

4.1软件结构框架设计

潜艇外型三维参数化仿真设计软件(简称SSPD)是以OpenGL为图形支撑系统,用Visual C++程序语言进行编制。软件的结构框架为文档/视图结构,采用MFC提供的单文档模板,其中包含四个主要的应用程序类:

    ①文档类CSSPDDoc;
    ②视图类CSSPDView;
    ③主框架类CMainFrame;
    ④应用程序类CSSPDApp。

软件界面以及潜艇外型三维参数化仿真设计效果如图3所示。

参数化方法在潜艇外型三维设计中的应用+培训资料图片5

    4.2软件模块结构划分

潜艇外型三维参数化仿真设计软件是一个较为复杂的三维图形功能软件,设计软件的整体结构尤为重要。主要的考虑包括:要设计哪些主要的类;这些主要类之间的关系怎样,例如类之间的继承和派生关系;类之间的消息传递和数据交换等。

    由于潜艇外型三维参数化仿真设计软件系统功能较复杂,类的数量较多,必须进行软件功能模块的划分。潜艇外型三维参数化仿真设计软件由可执行程序SSPD.exe和五个动态链接库(即软件运行时的模块)组成,即数值计算库Math.dll、几何工具库Jihe.dll、图形工具库Tuxing.dll、几何内核库Neihe.dll和窗口界面库Jiemian.dll。这些软件模块相互之间以及它们与MFC基本类库之间的层次关系如图4所示。

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五个动态链接库的功能介绍如下:

    (1)数值计算模块Math.dll:该模块主要输出数值计算函数,用于矩阵运算、线性方程组的求解、非线性方程与方程组的求解、插值运算、数值积分;
    (2)几何工具模块Jihe.dll:该模块主要输出基本几何对象类与几何计算函数,如点、矢量以及相关的计算函数,图形工具模块和几何内核模块都建立在该模块基础之上;
    (3)图形工具模块Tuxing.dll:该模块输出一系列用于三维图形绘制的C++类,完成三维几何体的光照显示、视角变换、显示缩放及颜色设置等,该模块建立在MFC及几何工具模块的输出类基础之上;
    (4)几何内核模块Neihe.dll:该模块输出一系列用于描述和管理三维几何对象模型的类,它通过调用图形工具模块Tuxing.dll进行几何体以及三维模型的绘制;
    (5)窗口界面模块Jiemian.dll:该模块输出一些增强界面效果的浮动窗口类,如窗口界面的左侧浮动窗口(用于管理潜艇各部分实体的显示和编辑)以及底部的浮动窗口(用于显示拾取的实体信息)。

    4.3软件功能介绍

    潜艇外型三维参数化仿真设计软件的功能全面,除基本的参数化建模和三维图形绘制功能之外,还包括以下几个主要方面:

    ①视图选择功能(如左视图、俯视图、轴侧图等);
    ②视图缩放和移动功能(如放大、缩小、平移、旋转等);
    ③视图拾取功能(如选择操作、拾取信息显示等);
    ④场景渲染功能;
    ⑤背景和光源颜色设置功能;
    ⑧窗口管理功能(如全屏显示、打开/隐藏浮动窗口等);
    ⑦文件管理功能(如新建、打开、保存、捕捉动画、保存图像等);
    ⑧文件打印功能(如打印、打印预览、打印设置等)。

5 结论

综上所述,利用潜艇外型设计所必需的型值等数据参数,采用数据库分析处理技术和样条插值方法,实现了潜艇外型三维设计参数化建模,从而可以快速有效地进行潜艇的外型设计和优化。效果图显示三维外型设计参数化建模方法正确有效(该方法已获国防专利受理,编号为200610120285.8)。所编制的潜艇外型三维参数化仿真设计软件功能全面、模块结构清晰、操作简单、运行可靠,有效地满足了潜艇的总体设计研究和性能预估的需要。