Rhino在船舶曲面建模中的應(yīng)用

◎ 朱閩 郭可盈 黃技 吳屯彪 廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院

1.引言

船舶是一種復(fù)雜的水上建筑物，按照其使用場景和使用要求的不同而具有不同的水動力性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。船舶內(nèi)部包括艙室空間、支撐骨架和排水結(jié)構(gòu)，外型通常是有利于克服航行阻力的材料包絡(luò)。由此可知，船舶表面是一種復(fù)雜的三維流線型連續(xù)曲面。對船舶水動力性能進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，受限于CFD軟件并不擅長復(fù)雜曲面建模，需要借助更專業(yè)更強(qiáng)大的曲面建模軟件。張俊等基于Solidworks使用半寬水線放樣進(jìn)行船舶曲面建模[1]，陳鄭喬等基于Maxsurf使用點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行游艇船體曲面建模[2]，王開源等基于ProE進(jìn)行三維船體設(shè)計(jì)[3]，從上述的論文可以發(fā)現(xiàn)，前人使用了多種方式進(jìn)行船舶曲面建模。本文采用Rhino建模軟件，以某海洋平臺供應(yīng)船為例，基于船舶型線圖對曲面建模過程進(jìn)行闡述，并介紹了Rhino在船舶曲面建模中的應(yīng)用。

2.Rhino簡介

Rhino（犀牛），全稱Rhinoceros是Robert McNeel &Associates 公司推出 的以TL-Lib為曲面核心的NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline 非均勻有理B樣條）高級建模軟件[4]。在船舶曲面建模領(lǐng)域，Rhino具有強(qiáng)大的模型塑造功能包括建立、編輯、解析和轉(zhuǎn)換NURBS曲線、曲面和實(shí)體，而且在對體曲率改變上沒有任何局限性，Rhino所提供的多類型曲面建模工具可以精確地捕捉船舶不同部位不同曲率的變化，能更好地體現(xiàn)船舶的流線外形。

3.Rhino在船舶曲面建模中的應(yīng)用

本文采用的海洋平臺供應(yīng)船帶有球鼻艏，沿船長方向曲面幅度變化較小，而且這類船舶底部大多以平底形式呈現(xiàn)，因此適合將船舶型線圖作為建?；A(chǔ)繪制船體。為提高模型精度，本文采用縱剖線面、橫剖線面、半寬水線面等曲線輔助建模。因?yàn)榇笆菍ΨQ結(jié)構(gòu)，建模時(shí)僅需制作一半，而后進(jìn)行鏡像復(fù)制，這利于減少總體工作量。具體建模操作步驟如下。

3.1 型線圖預(yù)處理

型線圖是重要的船舶總體圖樣，它是在三個(gè)互相垂直的投影面上的剖切線、投影線和外廓線描述了船舶外觀形狀的圖樣，它不僅包含了各個(gè)視圖的輪廓線，也包含了圖樣的標(biāo)注以及各類信息，因此繪圖之前需要對其進(jìn)行簡化。對于本文所選取的這艘海洋平臺供應(yīng)船，如圖1所示為該船型線圖，選取橫剖面圖-5、0、5、10.........135等共30條橫剖線、半寬水線圖中例1000-11000等共計(jì)11條半寬水線以及縱剖面圖中的輪廓線、站位線、水線進(jìn)行曲面繪制。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)將DWG格式的型線圖導(dǎo)入Rhino后會出現(xiàn)大量曲線斷開的情況，因此需要將建模所需的曲線單獨(dú)提取并組合。[具體操作]：連續(xù)選中同一曲率上的曲線，按“ctrl+j”組合快捷鍵將其組合。單擊組合過的曲線，向上拉動操作軸將曲線從型線圖中提取出來，如圖2為所提取的相應(yīng)橫剖線及水線示意圖。

圖1 導(dǎo)入的型線圖

圖2 橫剖線及半寬水線圖

3.2 沿站位線排列輪廓線、橫剖線、半寬水線

通過船寬中央的縱向垂直平面稱為中縱剖面，中縱剖面與船體型表面的交線稱為縱剖線，縱剖線的投影反映了船舶沿船寬方向的型線變化。通過船長（垂線間長或設(shè)計(jì)水線長）中點(diǎn)的橫向垂直平面稱為中橫剖面，中橫剖面與船體型表面的交線稱為橫剖線[5]，橫剖線的投影反映了船體外形曲面沿船長方向的型線變化情況。通過中縱剖面和中橫剖面交線上的船底板上緣平行于設(shè)計(jì)吃水處的平面稱為水線面，水線面與船體型表面的交線稱為水線[4]，水線的投影反映了船體型表面沿船深方向的型線變化情況。建模的底層邏輯就是繪制合理的曲線，利用曲線去束縛面的整體走向，因此需將上述三組曲線合理排布，將其作為船舶曲面的建模基礎(chǔ)。[具體操作]：選中“-5橫剖線”，在指令框中輸入“Move”，點(diǎn)擊“Enter”鍵，點(diǎn)擊“-5橫剖線”底部最右側(cè)的點(diǎn)，拖動“ -5橫剖線”移動至站位線的-5站位，以此類推將29條橫剖線在站位線上排列。從右向左框選“外廓線和縱剖線圖的水線”，在指令框中輸入“Move”，點(diǎn)擊“Enter”鍵，參考型線圖上外廓線的位置，將“外廓線和縱剖線圖的水線”移動至站位線上對應(yīng)位置。即可將橫剖線、外廓線以及縱剖線圖的水線排列完成。半寬水線的操作與橫剖線操作一致。在完成以上操作之后，在指令框輸入“Curve”命令，單擊“-5橫剖線”的頂點(diǎn)，依次單擊29條橫剖線的頂點(diǎn)可以將橫剖線連接起來，這條線作為引線，可以引導(dǎo)船體曲面的走勢。圖3為排列完成的曲線。

圖3 排列完成的曲線

3.3 使用不同的曲面生成工具繪制曲面

觀察排列完成的曲線，不難發(fā)現(xiàn)船首處曲面曲率變化較大，而且因?yàn)橛星虮囚嫉拇嬖冢瑢?dǎo)致船首處的曲面變得更加復(fù)雜。船體中部的曲面大部分是以平面為主，船體尾部也大多是以平面為主，但是不同之處在于船尾處在曲面中部出現(xiàn)內(nèi)折，在船底還有垂直下折的曲面。因此將船體拆分成三部分進(jìn)行建模“120－136站位”為建模的第一部分，“40－120站位”為第二部分，“-10－40站位”為第三部分。繪制曲面前處理。輸入“split”指令，選擇11條半寬曲線和引線,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，再選擇120站位線和136站位線，將半寬水線和引線在120號站位分割成兩段曲線。再次輸入“split”，選擇“外廓線”，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“125站位線”，此時(shí)外廓線在125站位被分割成兩段。重復(fù)上述操作將引線、半寬水線和外廓線在40站位分割開。

（1）首部繪制。船體的第一部分因?yàn)橛星虮囚嫉拇嬖趯?dǎo)致建模難度變大，類似這種曲率變化較大的曲面，通常采用雙軌曲線命令進(jìn)行建模。[具體操作]：輸入“sweep2”，分別選擇120站位線和外廓線，當(dāng)上方指令框顯示“選取斷面曲線”時(shí)，再依次選取被分割的引線和半寬水線，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，第一部分船體就完成。如圖4所示。

圖4 船體首部繪制

（2）中部繪制。船體中部包含17條橫剖面線和11條半寬水線，非常適合使用網(wǎng)格曲面命令，選取的曲線可以有效地束縛住整個(gè)網(wǎng)格的造型，整體曲面效果會更佳。[具體操作]：輸入“NetworkSrf”命令，框選分割后的引線、半寬水線以及40-120站位線，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，即可完成船體中部曲面繪制。如圖5所示為船體中部曲面繪制效果。

圖5 船體的中部建模

（3）尾部繪制。船體尾部是底部與中部和首部大有不同，先是一段曲面然后有垂直面過渡銜接另一段垂直平面，觀察后可以發(fā)現(xiàn)“-10－30站位”橫剖線的y軸方向有向內(nèi)凹折的趨勢，選擇使用雙軌曲線方法構(gòu)建曲面，通過控制斷面來調(diào)整曲面走向。[具體操作]：輸入“sweep2”命令，選取“40站位”和“10站位”作為路徑，選取“引線”和“半寬水線”作為斷面曲線，在彈出的視窗中選擇“加入控制斷面”，分別點(diǎn)擊內(nèi)折的曲線的頂點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)曲面會呈現(xiàn)向內(nèi)折的趨勢，再點(diǎn)擊垂直方向的面的頂點(diǎn)，調(diào)整大致走向，即可完成尾部繪制。如圖6所示為船體尾部曲面繪制效果。

圖6 船體一半

（4）鏡像處理。本文所選擇的這艘海洋平臺供應(yīng)船的船體是左右對稱的，目前完成了左側(cè)船體的建模，只需將左側(cè)船體對稱復(fù)制出右側(cè)，再將尾部封上，整船的建模就結(jié)束了。[具體操作]：選擇已完成的三部分船體，輸入“ctrl+j”命令，將三部分組合成整體。再選擇組合后的船體，輸入“Mirror”命令，分別點(diǎn)擊站位線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，以站位線為對稱線，鏡像出右側(cè)船體。輸入“DupEdge”命令，復(fù)制出尾部的邊緣曲線，輸入“l(fā)ine”，封閉尾部邊緣曲線。選取尾部的邊緣曲線，輸入“PlanarSrf”命令，生成平面。船體的建模完全結(jié)束。圖7為完整的船體。

圖7 完整的船體

3.4 繪制后處理

船體繪制完成后，通過R hino軟件中的曲面檢測工具進(jìn)行曲率、曲面完整性的檢測。[具體操作]：輸入“CurvatureAnalysis”指令，選中船體，在彈出的視窗中可以選擇不同曲率顯示樣式，例如高斯、平均、最小半徑等，不同的色塊代表不同的曲率值，調(diào)整曲率范圍更利于觀測曲率變化。如圖8所示為船體曲率呈現(xiàn)。輸入“ShowEdges”，選擇船體，選擇彈出的視窗中的“外露邊緣”，所有的外露邊緣就會被紅線標(biāo)注出來，不斷調(diào)整視角，可以檢查曲面是否有破損，如圖9所示為外露邊緣顯示。

圖8 曲面曲率

圖9 外露邊緣顯示

4.結(jié)語

因?yàn)镽hino是使用三維NURBS曲面建模方法進(jìn)行的曲面建模軟件，這極大提高了曲面的可塑性，加上本文是以型線圖為建?；A(chǔ)，其中的橫剖線和半寬水線可以很好地束縛住整體曲面，就使得模型精度大大提升。在建模過程中，采用合理的建模思路是建模成功的基礎(chǔ)，例如在使用“sweep2”命令時(shí)，選取哪條曲線作為路徑，哪些曲線作為斷面曲線尤為重要，這關(guān)系到整體曲面的質(zhì)量。不過建模也同樣注重實(shí)踐，在實(shí)踐中會發(fā)現(xiàn)更多的問題，例如在預(yù)處理過程中，型線圖的很多線條交織在一起，時(shí)常會出現(xiàn)組合錯(cuò)誤的問題。因此在建模過程中，要不斷調(diào)整視窗，切換視角，仔細(xì)觀察線與線的位置關(guān)系，面與面的銜接問題，避免上一步的操作不當(dāng)導(dǎo)致下一步的失敗。本文中介紹的建模方法同樣適用于其他類船型，其中的建模思路也可以類比推理運(yùn)用至SolidWorks、3DMAX、Catia等建模軟件中。