基于NX的船舶型線三維參數(shù)化建模系統(tǒng)構(gòu)建

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(1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.中國船級社技術(shù)研發(fā)中心，北京 100007)

船舶外殼建模是船舶整體建模的重要環(huán)節(jié)，也是最復(fù)雜的部分[1-2]。目前主流型線建模軟件如TRIBON，F(xiàn)ORAN，CATIA等，操作較為繁雜，且使用成本較高[3-5]。船體各部分型線之間有著明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但目前大多型線建模軟件均未考慮其關(guān)聯(lián)特性，將型線設(shè)計成一條條獨立的曲線，缺乏整體性。針對型線參數(shù)化的研究，大多數(shù)注重對型線表達(dá)的參數(shù)化，而非考慮型線之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[6-7]。為此，考慮基于NX平臺，充分利用NX平臺特征建模的優(yōu)勢，建立型線參數(shù)化模型，使得三向光順更容易。在NX平臺基礎(chǔ)上，進(jìn)行深度二次開發(fā)[8-9]，增強(qiáng)型線之間關(guān)聯(lián)性以及編輯時的交互性。

1 型線參數(shù)化設(shè)計

從船殼整體角度出發(fā)，考慮型線之間的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計由點驅(qū)動的型線模型，見圖1。

在整個系統(tǒng)中，型線與型線之間的交點僅有一個點，如圖中Point1同時屬于HullLine1和HullLine2。通過修改該點(Point1)驅(qū)動2條相交的型線(HullLine1、HullLine2)進(jìn)行更新。系統(tǒng)中曲面則由型線驅(qū)動，所有外殼的面片與型線進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖中Hull Surface與周圍的4條型線關(guān)聯(lián)，型線的修改將帶動面片的更新。整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出點動則線動，線動則面動的同步更新狀態(tài)，如圖中所示，Point1的變動引起HullLine1和HullLine2的更新，并最終帶動Hull Surface的形狀發(fā)生變化。

船體型線具有平行中體部分曲率變化較小、船艏船艉曲率變化較大的特點[10- 11]。若將整根型線用一條三次樣條處理，會導(dǎo)致平行中體與船艏(船艉)連接部分的抖動，且很難消除。如圖2a)所示，在過渡區(qū)的誤差達(dá)到了18 mm。型線分段能夠消除連接處的抖動，增加型線的光順性。如圖2b)，在增加了端點后，型線分為3段，完全消除了過渡區(qū)的抖動。因此型線特征采用分段式設(shè)計，分段點位置和分段線類型均可自由設(shè)置。另外，由于船尾部分的肋骨線會出現(xiàn)2段線分離，因此，分段線類型增加了選項 “無”，加上直線和樣條曲線共有3種分段線類型。型線的分段后仍由型線自定義特征統(tǒng)一管理，雖然分為多段，但仍是一個特征，提高了型線的完整性。

基于以上觀點，結(jié)合NXOpen C++自定義特征，設(shè)計系統(tǒng)型線自定義特征。見圖3。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

為便捷操作，系統(tǒng)功能設(shè)計見圖4。

2.1 型線自動快速生成

結(jié)合型線自定義特征設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)了型線生成功能，可由EXCEL型值表自動快速生成型線網(wǎng)格，流程見圖5，過程中幾乎無需用戶手工干預(yù)，詳細(xì)過程如下。

圖5 型值表生成型線流程

1)導(dǎo)入型值表。分別將高度表和半寬表的EXCEL文件導(dǎo)入即可，程序自動完成表格讀取與存儲，并顯示在對話框中。

2)創(chuàng)建型值點。程序自動從型值表中解析出型值點坐標(biāo)，并以型線為單位創(chuàng)建出型值點。

4)型線預(yù)分段。為減少建模人員編輯次數(shù)，提高操作效率，在型線生成過程中，系統(tǒng)對型線進(jìn)行預(yù)分段，預(yù)先設(shè)置好分段端點的切向。對于橫剖線，若存在與平底線或平邊線的交點，則將該交點設(shè)置為端點，將橫剖線分為船身、舭部和船底3段，并設(shè)置舭部的分段線類型為樣條曲線，其他2段為直線，舭部樣條曲線的2端點切向設(shè)置為相鄰直線段方向，見圖6a)。對于縱剖線，若存在與平底線的交點，則將該交點設(shè)置為端點，將縱剖線分為船艏、船艉及平行中體3段，其中平行中體部分分段線類型設(shè)置為直線，其他2段為樣條曲線，樣條曲線與直線相交處的端點切向設(shè)置為相鄰直線段方向，見圖6b)。對于水線，若存在與平邊線的交點，則將該交點設(shè)置為端點，將水線分為船艏、船艉及平行中體3段，其中平行中體部分分段線類型設(shè)置為直線，其他2段為樣條曲線，樣條曲線的端點切向設(shè)置同縱剖線，見圖6c)。

5)逐條生成型線。排序后的型值點按照預(yù)分段結(jié)果逐段擬合，得到完整的型線特征。生成的型線特征是一個有機(jī)的整體，線與點之間通過特征關(guān)聯(lián)，線與線之間通過點關(guān)聯(lián)。

2.2 型線參數(shù)化編輯

型線編輯主要目的是提升系統(tǒng)的容錯率和適應(yīng)性，型線編輯的效率決定著建模效率。系統(tǒng)在型線自定義特征基礎(chǔ)上提供了功能全面、操作便捷的參數(shù)化編輯方式，功能點見圖7。

在型線形狀不理想的部位，通過插入點或移除點來調(diào)整型線形狀。插入與移除過程類似，以插入為例。

當(dāng)用戶添加一個點后，系統(tǒng)處理過程見圖8。插入點默認(rèn)為普通點，記為點A。然后逐一計算點A與線上各點的距離，取距離最小點作為參考點，記為點B。當(dāng)點B不是型線上最后一點時，記型線上的下一個點為點C，計算∠ABC，若小于75°則將點A插入到點B后(見圖8a))，否則將點A插入到點B前(見圖8b))。當(dāng)點B是型線上最后一點時，記型線上的上一個點為點C，計算∠ABC，若小于75°則將點A插入到點B前(見圖8c))，否則將點A插入到點B后(見圖8d))。點A位置確定后，需要對線上端點位置做相應(yīng)調(diào)整。若點A位置在兩端端點處，還需對端點做出相應(yīng)改變。

對于型線上復(fù)雜部位，如船艏和船艉，用戶可通過增減端點數(shù)，從而改變分段數(shù)，再通過編輯分段線類型，達(dá)到光順型線的目的。設(shè)原分段數(shù)為m，新分段數(shù)為m′。新增端點時，m′=m+1，新增分段其分段線類型默認(rèn)為樣條曲線；減少端點時，m′=m-1，即將原2段合并為1段，其分段線類型默認(rèn)為前一分段的類型。當(dāng)分段線類型為直線時，將以該段2個端點生成1條直線，并將段內(nèi)其他點自動移至直線上；當(dāng)分段線類型為樣條曲線時，將以該段中包括端點在內(nèi)所有點擬合成1條三次樣條曲線。

3 關(guān)聯(lián)技術(shù)

3.1 型值表關(guān)聯(lián)技術(shù)

型值表編輯可快速準(zhǔn)確添加型值點，并能直觀修改型值點。為實現(xiàn)這一功能，提出系統(tǒng)型值表關(guān)聯(lián)技術(shù)，主要包含以下3個部分。

1)型值表讀取與存儲 從EXCEL讀取型值表后，將型值表數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫，以便再次使用。

2)型值點生成并關(guān)聯(lián) 從型值表解析出型值點坐標(biāo)后，創(chuàng)建出點特征，并將點的行列信息以NX對象屬性的方式進(jìn)行記錄，從而實現(xiàn)雙向關(guān)聯(lián)。

3)型值表再讀取并關(guān)聯(lián) 關(guān)閉型值表再次打開時，通過本地數(shù)據(jù)庫讀取型值表，并根據(jù)行列信息建立型值點與型值表的關(guān)聯(lián)。

利用該技術(shù)，可在型線創(chuàng)建完成后，將型值表中型值的修改同步展現(xiàn)在型線上。此外，用戶亦可在型值表中增刪型值，以在型線網(wǎng)格中同步增刪型值點。

3.2 型線離散求交算法

為保證型線之間的關(guān)聯(lián)性，型線交叉部分均需生成交點。系統(tǒng)中，船舶型線采用分段式設(shè)計，2條型線的求交問題即為2組曲線的求交問題，距離在誤差范圍內(nèi)的最近距離點可作為2條型線的交點。采用改進(jìn)后的離散化方法[12-13]，處理過程見圖10，具體流程如下。

1)選取需求交的兩條型線中的一條，記為C1，求出該型線總長L，求出截斷長度D=L/20。

3)需求交的2條型線中的另一條記為C2，C2也由多段組成，記為(B1，B2，，Bm)。取Si(i=1，2，，K)分別與Bj(j=1，2，，m)計算最小距離點PSij，PBj，若二者的距離在誤差范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為2點為同一點，該點即為所要求的交點，這里保留點PBi。

4)重復(fù)步驟3，將所有求出的交點保存至一個序列中記為(P1，P2，，Pt)。其中t為求得的交點個數(shù)。

5)刪除距離相近的點，得到最終的交點集。

4 應(yīng)用實例

在NX 11.0平臺上，使用C++作為開發(fā)語言，根據(jù)上述設(shè)計開發(fā)出船舶型線三維參數(shù)化建模系統(tǒng)，并在多種船型上進(jìn)行測試。測試計算機(jī)主要參數(shù)配置：Intel? CoreTMi7-7700 CPU @ 3.60 GHz，16 GB內(nèi)存，64位操作系統(tǒng)。

對318 000 t超大型油船進(jìn)行外殼建模，過程見圖11a)，主要參數(shù)為：總長332.9 m，型寬60 m，型深30.6 m。對180 000 DWT球艏散貨船進(jìn)行外殼建模的過程見11b)，主要參數(shù)：總長295 m，型寬46 m，型深24.8 m。

2船型型線分布見表1。

表1 測試船型型線分布

圖11中，第一步通過導(dǎo)入型值表自動生成型線，該過程僅需選擇型值表Excel文件導(dǎo)入，點擊“生成型線”按鈕即可完成。第二步利用系統(tǒng)豐富的型線編輯、插值型線、求交等功能進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到曲面擬合要求。第三步利用NX曲線曲面建模功能建成完整外殼。建模過程時間消耗見表2。

表2 建模過程時間消耗

測試結(jié)果表明：系統(tǒng)能完成多種船型型線建模，與NX 11.0曲線曲面建模功能結(jié)合能建成多種船型的外殼模型，并能進(jìn)一步用于船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模。根據(jù)船型的不同，耗時有一定偏差，平均用時約1 h。對于較為復(fù)雜的球艏船型，能控制在2 h以內(nèi)，具有較高的建模效率。

5 結(jié)論

充分考慮各種船舶型線的特征，采用NX自定義特征建立型線模型，實現(xiàn)了型線之間參數(shù)化關(guān)聯(lián)與同步更新。采用NX二次開發(fā)框架實現(xiàn)了完整的船舶型線三維參數(shù)化建模系統(tǒng)。用戶使用后表明，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

1)快速型線生成。 型線生成過程除選擇型值表EXCEL文件外無需人工干預(yù)。

2)直觀的型值表編輯。 型值表與型值點關(guān)聯(lián)，通過修改型值表能實現(xiàn)型線的編輯，并同步顯示在圖形區(qū)。

3)型線參數(shù)化設(shè)計。 型線通過自定義特征實現(xiàn)，型線之間均通過型值點進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4)豐富的型線編輯功能。 型線自由度高，編輯功能齊全且均能通過型線自定義特征自動引起相關(guān)聯(lián)型線同步更新，并實時顯示在圖形區(qū)。