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三维船体建模与稳性计算系统研发

发布时间:2021-05-06 16:55所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:[目的]为实现多体船、组合船体等复杂船型的船体与舱室的可视化快捷建模和稳性计算,研发三维船体建模与稳性计算系统。[方法]采用模型视图控制器(Model-View-Controller,MVC)设计模式搭建系统框架;融合三维可视、对象拾

  摘要:[目的]为实现多体船、组合船体等复杂船型的船体与舱室的可视化快捷建模和稳性计算,研发三维船体建模与稳性计算系统。[方法]采用模型−视图−控制器(Model-View-Controller,MVC)设计模式搭建系统框架;融合三维可视、对象拾取、特征点捕捉、命令流、引用表达式−联动更新、撤销−重做、智能表格等功能元素,实现适用于一般用户的船体与舱室三维交互式建模,以及适用于熟练用户的命令流快速建模;采用三维表面网格积分算法,实现不受限于船型的静水力与稳性计算,并基于派生类技术实现多个版本的法规衡准供用户选择。[结果]实船测试和工程应用结果表明,该系统能实现船体与舱室的三维快速建模和准确计算,覆盖具有多艉、球艏、艏升高、艉升高、凸形甲板的复杂船型,以及浮船坞、双体船、三体船、拼装组合船等特殊船型。[结论]该软件对船舶工程软件的设计研发具有参考价值。

  关键词:三维建模;稳性计算;命令流;计算系统

计算机技术

  0引 言

  船舶稳性计算专业软件大体可划分为3代,即二维、半三维和三维,它们的区别在于模型表达方式、人机交互能力和计算核心先进性。二维软件在早期十分盛行,通常采用型值表与加密点或类似方式来描述船体模型,采用数据文件或表格窗口录入模型数据,采用几何线框显示船体外形,采用平面切片积分法计算船体几何参数。三维软件采用三维几何模型来描述船体模型,并引入了三维可视化交互技术和三维网格积分算法;相较于二维软件,三维能更直观地创建和展示船型,良好的用户体验和广泛的船型适应性使其更易于被用户接受。

  半三维软件介于两者之间,其具备一定的三维可视化交互能力,但模型表达方式和计算核心尚未突破二维本质,所以适用性往往受到一定限制。业界领先的稳性计算软件均具备一定的三维建模与三维计算能力。国外的MAXSURF和NAPA[1]等软件在船舶领域应用广泛,其三维交互能力深受欢迎;国内学者也开展了相关研究和软件开发[2-3],但受应用条件制约,软件未得以广泛应用。

  鉴于此,本研究以满足用户友好性、船型普适性、软件易维护性为目标,拟采用三维可视交互技术、三维积分计算算法和软件工程方法,借鉴AutoCAD等软件的反向框选拾取、特征点捕捉、命令流等功能,设计开发一款具有自主版权的三维船体建模与稳性计算系统COMPASS-iStability(COMPASSInland平台的子系统),用于船舶辅助设计、审图计算、航运安全评估和高校教学实训。

  1系统总体设计

  考虑用户的易接受度,本系统在研发时采用了当前成熟的模型−视图−控制器(Model-ViewController,MVC)设计模式,结合主板−插件式架构技术[4]的应用,最大程度降低系统设计的复杂性,使系统开发维护更为容易。视图(View)负责展示模型(Model),控制器(Controller)是两者的纽带,三者之间相对独立。

  1.1模型(Model)

  Model用于描述船体的几何模型和分析模型(含结果)。采用了相对灵活和可扩展的XML架构,将数据划分为几何、船壳、分析等多个数据块,每个数据块又细分为不同类型的数据对象。其中,几何和船壳为三维可视化对象,采用自定义数据结构存储用户输入数据,每个对象以ID作为唯一标识;分析数据则采用了关系数据表进行表达。

  1.2视图(View)View负责以合适的方式展示Model。几何和船壳数据对象采用了对象树面板、操作面板和基于OpenGL的三维视图进行显示和交互;分析数据采用了智能表格控件、ZedGraph图表控件和iTextSharp控件进行显示、编辑和报告输出,智能表格控件能根据用户前序输入自动屏蔽后序不需填写的单元格(切换为只读状态并显示为灰色)。

  1.3控制器(Controller)Controller负责响应用户输入,并在View和Model中体现响应结果。采用全局事件响应机制,当对象树面板、操作面板、工具栏、三维视图和命令窗口存在用户输入(鼠标、键盘等)时,由指定的处理器来响应,并将结果反馈到三维视图、对象树面板和输出窗口(显示用户指令执行的结果和告警信息)。其中,命令窗口接受用户命令,通过自主开发的一套命令处理器来完成命令的解释与执行,并支持命令的撤销与重做(Undo/Redo)。

  2三维建模功能设计建立船体模型是实施稳性计算的前置条件,模型准确性与计算结果息息相关。本系统中推荐的三维船体建模流程,即首先创建型线,然后由型线构造型表面,继而由型表面围成主船体,最后从主船体上截取舱室。

  3三维稳性计算与衡准

  基于三维模型方可开展三维稳性计算,首先将代表船体与舱室的三维表面转换为三维面网格单元模型,然后以此为输入进行三维稳性计算。

  3.1模型网格化模型网格化就是把三维船体和舱室分别作为独立的体,将其三维表面转换为三角网格。转换过程中,控制三角网格与三维表面的偏差δ≤0.0001。而网格尺寸则随原始三维表面的曲度自适应调整,在曲度小的部位形成的网格很稀疏,例如平行舯体区域的舷侧、船底等;在曲度很大的部位网格相对更细密,例如艉部螺旋桨轴、舭部等。从而确保转化后的三角网格与原三维表面尽可能贴合,同时也最大程度减少网格数量,降低后续计算工作量。

  3.2三维几何参数计算为了得到船体排水体积、惯性矩、形心等三维几何参数,传统方法是将船体的三维积分转换为沿船长或型深的切片(横剖面或水线面)近似积分[5],这种算法的计算精度受限,且难以适用于不规则和复杂的形体。

  4系统验证与应用

  4.1系统验证

  选取规则体(长方体、圆柱体、球体等)进行建模计算测试(与理论值对比)。为一个由长方体、圆台和半球体组成的组合体,其中长方体的尺寸为4m×4m×8m,底面中心为(−2m,−3m,0m);圆台底面圆心为(6m,5m,3.2m),底面半径1.5m,顶面半径0.35m,高6m;半球的半径为10m,底部圆心为(0m,0m,7.5m)。给出了该组合体的验证结果,体积的相对误差小于0.06%,形心垂向坐标的相对误差小于0.01%。

  5结 语

  本研究自主开发了三维船体建模与稳性计算系统COMPASS-iStability,该系统具备以下特点:1)采用Model-View-Controller模式搭建系统,三者相对独立,降低了开发难度,提高了可维护性;2)提供了三维可视、对象拾取、特征点捕捉、撤销重做、命令流等功能,既适用于一般用户进行三维图形交互式建模,也适用于熟练用户进行全船快速建模和母型船改型;3)可用引用表达式代表几何坐标,可确保站线、水线等不同方向三维曲线的交点坐标保持一致,当被引用图元有修改时,后序关联图元还能随之联动更新;4)实现了三维舱室参数化建模,过程中仅需指定舱室前后端面位置及端面特征点;5)采用三维面网格单元积分算法实施稳性计算,相较于传统切片积分计算,不仅提高了计算准确度,而且突破了船体几何形状的限制,能适用于传统计算系统无法或难以覆盖的任意情形,包括球艏、多艉、多体、浮船坞、组合船体等;6)提供多个衡准标准供用户选用,并在保证向下兼容的前提下,可根据业界发展需求增加新的衡准选项,确保了“老船老办法、新船新办法”的现实需求得以满足。

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  在典型实船中的工程应用结果表明,该稳性计算系统有助于用户实现三维船体与舱室的快速建模和稳性计算,降低专业稳性计算软件的使用门槛,对于船舶工程软件的设计研发也具有重要的指导意义。在船舶稳性计算中,该软件已广泛应用于实船辅助设计、审图检验和高校教学实训,得到业界的广泛认可。后续将进一步提升本软件的用户友好性,继续开发和完善与其他专业建模和计算软件的接口,实现船体模型的共享和互操作;另一方面,也将在立足工程计算的基础上,新增拓展用户期待的面向设计功能,如船型变换、快速性预报与操纵性预报等。

  参考文献:

  NAPA.Industrystandardsoftwareforshipstabilityanalysis[EB/OL].[2020-05-08] https://www.napa.fi/softwareand-services/ship-design/hydrostatics-and-stability/.

  [1]秦帅帅.船体三维参数化建模及稳性计算软件开发[D].大连:大连理工大学,2019.QINSS.3Dparametricmodelingandstabilitycalculationsoftwaredevelopmentofshiphull[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,2019(inChinese).

  [2]姜玲.船舶稳性三维计算方法研究及软件开发[D].大连:大连海事大学,2015.JIANGL.Shipstabilitydimensionalcalculationmethodresearchandsoftwaredevelopment[D].Dalian:DalianMaritimeUniversity,2015(inChinese).

  [3]陈志飚,王娜,张净宙,等.基于.NET平台的插件式船舶工程计算系统应用框架开发[J].计算机应用,2010,30(增刊1):225–226,229.

  作者:陈志飚1,陈庆任1,朱显玲*2

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《三维船体建模与稳性计算系统研发》

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