武漢理工大學(xué)鉚j 士學(xué)位論文 摘要 蘧蓉信息技術(shù)瓣廣泛運(yùn)愛翻大量數(shù)控設(shè)備憝出瑰，琨在造艇模式較之以 往已經(jīng)產(chǎn)生了重大的變化，集中表現(xiàn)在生產(chǎn)數(shù)據(jù)的交換量空前龐大和! 梵換頻 率豹增搬，大量戇生產(chǎn)嬲工接息都囂要數(shù)據(jù)毯娥然囂蠡l 數(shù)據(jù)擦怠在數(shù)控設(shè)備 之間傳遞，這種模式帶來了生產(chǎn)效率的大大提崗。船舶制造模式上的變億 必然要求沒詩模式進(jìn)行榴應(yīng)豹調(diào)整以滿足實(shí)際生產(chǎn)上的需要，郟就是設(shè)計(jì)的 船型便于數(shù)據(jù)化以便數(shù)控加工設(shè)備能夠識(shí)別，間時(shí)能夠提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩?鬃道。 船戮的數(shù)據(jù)化導(dǎo)致了數(shù)學(xué)船型的出現(xiàn)。數(shù)學(xué)船型就是用數(shù)學(xué)函數(shù)寢達(dá)和 設(shè)計(jì)船體型線。它要求我們尋求并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式，找到某種肖效的 方法，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下求出具有實(shí)用價(jià)值并飄光順的船體型線，為 水動(dòng)力計(jì)算以及建造施工提供所需要嬲數(shù)據(jù)。船型的數(shù)字化繪船舶建造帶來 了極大的便利，同時(shí)也給設(shè)計(jì)本身帶來了很大的方便。 本論文討論且分析了國(guó)內(nèi)外船舶型線設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀鄹發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)面臨 的問題，提出了自己的恿路，在數(shù)學(xué)計(jì)算方法上，由予三次準(zhǔn)均勻b 祥條曲 線良好的端部性質(zhì)，這璺用它來擬合船舶型線，首先根據(jù)所繪的初步泌值求 漱其控制頂點(diǎn)，然后根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行插值倭能得瓢馥線上靜所有播僮點(diǎn)。 譙小參數(shù)模型下對(duì)型線進(jìn)行了光順，另外通過對(duì)全船的插值，并可以插值得 到任意餓置酶曲線及萁爨僵。 為便于型值的查詢和輸出，本文還提供了數(shù)據(jù)接口以便從前期模塊獲得 漂始鍪線數(shù)據(jù)，經(jīng)過繪豳野靜巍頹稻稻僚楚臻，墅值表可醵送行擴(kuò)充，擴(kuò)充 艏的型值表還可以方便地存儲(chǔ)剿一個(gè)數(shù)據(jù)文件漿，然尉可以獨(dú)立于a u t o c a d ， w 班焉數(shù)據(jù)管臻模渙辯數(shù)據(jù)送行管理，氌括數(shù)攆靜罄敬耱查詢等，還露蔽裰 據(jù)需要搬供給相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備以便加工。 本文采礙蒸子e + 謠言的戇o b j e c t a r x 工鬟在a u t o c a d 2 0 0 2 平臺(tái)逡霸二 次開發(fā)，分別編制了繪圖軟件和數(shù)據(jù)管理軟件，并結(jié)合一條實(shí)際的普通貨船， 送行鍪線設(shè)詩，壤褥了嶷荮豹效萊。 關(guān)鍵例：均勻b 樣條，型線設(shè)計(jì)，o b j e e t a r x 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t h t h ea p p e a r a n c eo f l o t so f n u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t sa n d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e r ea r em a n yi m p o r t a n tc h a n g e si n m o d e lo f s h i p b u i l d i n g ，a r e m a r k a b l eo n ei st h a t e x c h a n g e o fd a t af o r s h i p b u i l d i n gb e c o m e sm o ta n dm o r ef r e q u e n t l y a n dt h ea m o u n to fd a t af o r e x c h a n g e a l s oi n c r e a s e s r a p i d l y a t t h es a m et i m e ，m o r ea n dm o r e d i g i t a l i n f o r m a t i o ni sr e q u i r e dt ob en u m b e r e d ，a n dt h e n ，i ti sd i g i t a li n f o r m a t i o nt h a t i st r a n s m i t t e db e t w e e nn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t ，t h i sm o d e lb r i n ga b o u t r e m a r k a b l ei n c r e a s m e n to f p r o d u c t i v i t y t h ed e s i g nm o d e lo fs h i pi sr e q u i r e dt o a d j u s t f o rt h e c h a n g eo ft h em a n u f a c t u r i n gm o d e l b yt h eo c c a s i o n ，i t i s r e q u i r e dt on u m b e rt h eh u l l ，w h i c hc o n v e n i e n tf o rt h ed i s t i n g u i s ht on u m e r i c a l c o n t r o le q u i p m e n t m e a n w h i l e ，i ti sr e q u i r e dt op r o v i d eau n b l o c k e dc h a n n e lo f c o m m u n i c a t i o nf o rt h ed a t at r a n s m i s s i o n b e a c a u s e so fn u m b e r i n gt h eh u l l ，i ti s b r i n ga b o u tt h ee m e r g e n c eo ft h e m a t h e m a t i c a l h u l l i ti sd e f i n e dt h em a t h e m a t i c a ls h i ph u l lt ou s em a t h e m a t i c a l f u n c t i o ni nd e s i g n i n gh u l ll i n e s w em u s tf i g u r eo u ts o m e p r a c t i c a b l ee q u a t i o n s t oc a l c u l a t et h eh u l ll i n e st h a ts h o u l db es m o o t h n e s sa n df i tt h er e a ls h i pl i n e s t h e s ed a t a ，w h i c ha r e a l r e a d ye x a n i m a t e d ，c a nb et h eo r i g i n a l d a t ao ff l u i d d y n a m i cc a l c u l a t i o na n dt h eo r i g i n a ld a t ao fs h i p m a n u f a c t u r e n u m b e r i n gt h e h u l lc o n v e n i e n tf o rt h es h i p b u i l d i n g ，a sw e l la sf o rs h i p d e s i g ni t s e l f i nt h i st h e s i s ，t h ep r a c t i c a le f f e c ta n dt h ed e v e l o p m e n to fh u l ll i n e d e s i g n a r ea n a l y z e d i to f f e r st h ei d e aa c c o r d i n gt op r o b l e mf a c e d ，c o n s i d e r i n gt h eg o o d c h a r a c t e ro ft h ee n d s ，t h ea j u s t e dc u b i cb - s p l i n ec u r v ei su s e dt of i ts h i pl i n e s i t f i n d so u tt h ec o n t r o lv e r t e x sa c c o r d i n gt oas e q u e n c eo f g i v e np o i n t s ，a n dt h e n ， t h r o u g hp a r t i c u l a rf o r m u l a ，e a c hp o i n ti n t h ec u r v ec o u l db ew o r k e do u t i t s m o o t h e sl i n e sw i t ht h em e t h o db a s e do ns m a l l - p a r a m t e r t h r o u g hi n t e r p o l a t i o n w ec a nc a l c u l a t ee v e r yp o i n to fas h i po rc r e a t eal i n ew h e r e v e ri nt h el i n e sp l a n d u et og i v e n p a r a m a t e r i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 i no r d e rt oi n q u i r ea n do u t p u td a t ac o n v e n i e n t l y ，t h i st h e s i sa l s oo f f e r st h e d a t ai n t e r f a c ew h i c hc a no b t a i no r i g i n a ld a t af r o mp r e c e d i n gm o d u l e a f t e r s m o o t h n e s sa n di n t e r p o l a t i o n ，t h em o u l d e d - v a l u e s t a b l ec o u l db ee x p a n d e d t h e c h a n g e dt a b l e c o u l db es a v e di nad a t af i l e a n dt h e n ，t h ed a t ad a t ab a s e m a n a g e m e n tp r o g r a mc a nm a n a g et h ed a t ai n c l u d i n gi n t e r p o l a t i o na n dq u e r y w i t h o u ta u t o c a d t h ed a t ac o u l db eo f f e r r e dt ot h ee q u i p m e n t sa c c o r d i n gt ot h e d e m a n do fm a n u f a c t u r e i tu s e so b j e c t a r xt o o l sb a s e do nc + + l a n g u a g ei na u t o c a d2 0 0 2f l a tt o m a k eaf a r t h e rd e v e l o p m e n t i tw o r k e do u tac o r r e s p o n d i n gs o f tw a r e ，a n dd r e w t h ep l a n e so far e a ls h i p ，h a so b t a i n e dag o o de f f e c t k e yw o r d s ：u n i f o r mb s p l i n e ，s h i pl i n e s ，o b j e c t a r x i i l 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第l 章緒論 。 立題背景及研究意義n - 2 丑鉑 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是將技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)環(huán)境溺索融為一體，寵分弼精電子 計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、自動(dòng)繪圖和管理，面向總體功能和目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)方紫與全局 構(gòu)成的多元性方法的綜合，搬常規(guī)的工程及產(chǎn)晶的設(shè)計(jì)中已得到廣泛的應(yīng) 用，達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，但對(duì)于一些非常規(guī)的，特別是無法用數(shù)學(xué)模型表 這戇鈐形麴疆，如飛規(guī)、船舶及汽車等斡終形，嶷璦設(shè)詩與生產(chǎn)熬建全茯速 的數(shù)據(jù)棱遞垂動(dòng)往還存在饕糖當(dāng)靜困難。懿麓舶為稠，虢耱羚形強(qiáng)蓊滏不能 以數(shù)學(xué)函數(shù)方式準(zhǔn)確模擬，只能以成千上萬個(gè)離散的樣點(diǎn)予以模擬，傳統(tǒng)的 手工設(shè)計(jì)方法是將這些樣點(diǎn)譙樣臺(tái)上以l ：1 的比例實(shí)物繪制。張計(jì)算機(jī)上 則是將樣點(diǎn)輸入計(jì)算機(jī)中，漿用a u t o c a d 等繚圈軟件，人機(jī)對(duì)話方法進(jìn)行 模擬和光瑕。隨機(jī)的毒要、縫擒、造型、性能鐐設(shè)計(jì)討算也是采取人楓對(duì)話 方法不稼濾慕致攆點(diǎn)數(shù)據(jù)逡行詩舞、繪塑，鬟爨冗天葚至霓卡天。這耱人褪 對(duì)話的模式既浪費(fèi)了大量的時(shí)間，還容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送及設(shè)計(jì)中斡錯(cuò)誤，也 沒能充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能。盡管一熄廠家和研究所在進(jìn)行研究和 引進(jìn)軟件，但并沒有完全解決這些問題。如果能將這類軟件融入計(jì)算機(jī)集成 制造系統(tǒng)( c i m s ) ，則對(duì)廂序工程如外板的展開、自動(dòng)加工提供極大的便利， 纏短建造工期，翻造霹鼴軟緞濟(jì)效鎣。 菲鬻娥辨形瑟瑟的整舔麓囂及分段震開在璞論上已經(jīng) 乍了讒多磷究，辯 于一些不可展的曲面，這然研究都有一些局限餓，以實(shí)用的角艘，還不能 得到廣泛的應(yīng)用，還不褥不借用手工展開的方法，在計(jì)算機(jī)上利用 a u t o c a d 等軟件，進(jìn)行半手工操作。影響了設(shè)計(jì)周期和后續(xù)設(shè)計(jì)殿建造周 期和耩愛，不能充分快速剩周自動(dòng)加工建造設(shè)備。以船舶為鍘，船舶辯形 設(shè)計(jì)寵艘淑樣點(diǎn)囂，盛須簧送行麓囂鏊線及努投矮牙蠶豹設(shè)詩，以及績(jī)穆 的外扳聰開和剖面設(shè)計(jì)，施工建造中的外授、框架加工等都要黻這些樣點(diǎn) 為基礎(chǔ)。由于在技術(shù)上還存在著難點(diǎn)，人們只能在計(jì)算機(jī)中反艇測(cè)取各類 樣點(diǎn)，涎就大大限制了計(jì)算機(jī)的速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，如果能開發(fā)一種軟件， 能利用琢始樣點(diǎn)，自動(dòng)寵成后續(xù)工作的取樣，瓣決設(shè)計(jì)和加工的速度和耪 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 魔，是科技發(fā)展到今天必須解決的問題。 1 2 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 1 2 1 船舶c a d 的發(fā)添1 2 , 3 , 4 , 6 1 詩算凝驤劈設(shè)詩佟籠一 j 學(xué)摹! 始予6 0 年代裙，一纛到7 冬鼗，鞋l 予受 到計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，c a d 技術(shù)的發(fā)展很緩慢，進(jìn)入8 0 年代以來，計(jì)算機(jī) 技術(shù)突飛猿進(jìn)，特剮是徽齷季玨工作站的發(fā)震和普及，囂加上功熊強(qiáng)大馳雛匿 設(shè)備，如大型圖形顯示瓣、繪圖儀、激光打印機(jī)的問世，極大地稚動(dòng)了c a d 鼓術(shù)的發(fā)展，c a d 技本恐送入實(shí)用他盼段，廣泛服務(wù)予枧械、邀予、字舷、 建筑、紡織等產(chǎn)晶的總體沒計(jì)、造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。 藤c a d 技術(shù)本爨已成為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代豫的重要標(biāo)志。它對(duì)加速工程秘產(chǎn)品 的開發(fā)、縮短產(chǎn)齲設(shè)計(jì)制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)鬣、降低成本、增強(qiáng)企娥市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)能力與創(chuàng)新能力發(fā)攆著重要作用。窀的應(yīng)用及發(fā)展正引起一場(chǎng)產(chǎn)晶工程 設(shè)計(jì)與制造深刻的技術(shù)革命，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)、韭結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)、管理結(jié) 構(gòu)、生產(chǎn)方式以及人才知識(shí)結(jié)構(gòu)方面帶來巨大影響。船舶工程領(lǐng)域是最早運(yùn) 尉計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔勁設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一，計(jì)算機(jī)在船舶工程中的應(yīng)用極為，。泛， 涉及到船舶設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，c a d c a m 技術(shù)水平的離低，嵐接影 響著遙船企業(yè)在巍今競(jìng)爭(zhēng)激燕酌造船市場(chǎng)上靜競(jìng)爭(zhēng)力。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在上個(gè)世紀(jì)得到快速發(fā)展，大致可以分為一下四個(gè)階 段： ( 1 ) 低級(jí)階段設(shè)計(jì)人員將手工設(shè)計(jì)、繪圖、加工等工序編制成程序， 出計(jì)算飄進(jìn)行數(shù)控完或。節(jié)省了設(shè)詩入灝懿一酃分重復(fù)勞動(dòng)。健是各個(gè)軟 孛 處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，沒肖完整的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。各個(gè)程序之間的數(shù)據(jù)無法方便的 鐨輸釋譎溺，需簧垂復(fù)蟪輸入大爨靜數(shù)據(jù)，復(fù)雜露費(fèi)時(shí)，著容荔鑫锘。 ( 2 ) 中級(jí)階段應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理麾p d m 軟件，針對(duì)早期階段的孤島式 俗感，這令除莰燕要辯狡懿是愛邂癆蘩信意熬繁成，鍵薅惑憝薤薅、藩效遣 共享與交換。 3 ) 中寒級(jí)羚菠客信塞集成躲基懿土，濤產(chǎn)品開發(fā)_ l 童程中戇串行過程 盡可能地轉(zhuǎn)換成為并行過程，在并行設(shè)計(jì)的環(huán)城下，各階段工作及時(shí)交流和 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造的自動(dòng)化。 ( 4 ) 高級(jí)階段結(jié)合c a d c a m 、柔性制造系統(tǒng)( f m s ) 及生產(chǎn)自動(dòng)管理系 統(tǒng)組成全方位的計(jì)算機(jī)輔助與控制系統(tǒng)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( c i m s ) 。 逐步實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、敏捷制造等技術(shù)。這個(gè)階段除了實(shí)現(xiàn)信息集 成和過程集成，還實(shí)現(xiàn)企業(yè)集成，強(qiáng)調(diào)智能化，使企業(yè)在瞬息萬變的市場(chǎng)環(huán) 境下，能抓住稍縱即逝的機(jī)遇，開發(fā)出能充分滿足客戶要求的產(chǎn)品。 1 2 2 國(guó)內(nèi)外船舶c a d 的研究現(xiàn)狀【l 4 1 5 j 隨著近年來計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)際上各種先進(jìn)的c a d c a m 系 統(tǒng)都有了很大的發(fā)展，代表性的有： 1 瑞典的t r i b o n 系統(tǒng)該系統(tǒng)以s t e e r b e e r 系統(tǒng)為主，后來又合并了挪 威的a u t o k o n 、德國(guó)的s c h i f f k o 和英國(guó)的b m t 等系統(tǒng)發(fā)展起來的。t r i b o n 系統(tǒng)包括船舶的初步設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)、計(jì)劃管理的全過程，擁有自行開發(fā)的 圖形支撐軟件及工程數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，能建立船舶產(chǎn)品電子信息模型，而且在出 圖等方面表現(xiàn)出眾，具有參數(shù)化造型、線框建模等實(shí)體模型修改特點(diǎn)。 2 西班牙的f o r a n 系統(tǒng)它是一個(gè)從基本概念設(shè)計(jì)到鋼結(jié)構(gòu)加工、機(jī)艙 布置和船舶舾裝作業(yè)的功能強(qiáng)大的造船集成系統(tǒng)。 3 美國(guó)p t c 公司的c a d d s 5 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括船型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和熱力、通風(fēng)、空調(diào)等模塊，該系統(tǒng)采用了p t c 公司的b e h a v i o rm o d e l i n g 先進(jìn)技術(shù)，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。 我國(guó)造船界從上世紀(jì)6 0 末開始c a d c a m 的開發(fā)與應(yīng)用，也取得了相當(dāng) 的成就，如原中船總組織開發(fā)的c a s i s i 、c a s i s i i ，c a s i s i i 在c a s i s i 的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的集成度，在總布置設(shè)計(jì)、基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)零件生 成、船舶管系的生成等方面都有較大的突破，對(duì)縮短造船周期、提高造船質(zhì) 量起到了一定的作用。一些相關(guān)院校也組織力量開發(fā)了一些c a d 系統(tǒng)，如“船 舶曲面設(shè)計(jì)系統(tǒng)”、“內(nèi)河船舶c a d 系統(tǒng)”、“油船初步設(shè)計(jì)軟機(jī)系統(tǒng)”等，但 總的說來，在實(shí)用上都或多或少的存在一些問題，特別是在貫穿全部設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)過程的船型數(shù)據(jù)，樣點(diǎn)及派生樣點(diǎn)的管理等問題上還沒有很好的解決， 大大限制了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的速度和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 課題的主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù) 1 3 1 總體目標(biāo) 本諜越是省摹淳委熬實(shí)際瀑麓“復(fù)雜麴囂戇鑫動(dòng)浸囂方法磷究及實(shí)蠲軟俘 系統(tǒng)的開發(fā)”的一部分，在宏觀上，船舶制造業(yè)中已有較為完整的c a d c a m 象箴系統(tǒng)，毽在黢糖型線攆蠱鞋及鈐扳鼴開、黥餐型線派生懿簍線攆煮沒壽 實(shí)用的數(shù)據(jù)管理氖統(tǒng)，只能利用人工操作多次反復(fù)地制作來完成，例如，實(shí) 瓣沒量 中遴鬻要繪鍘主罄條匏黲囂型線，這彈久工操 萋大丈影嚷了設(shè)詩建造 速度。本課題將研究開發(fā)實(shí)用型的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使本軟件能夠根據(jù)型 馕表自動(dòng)產(chǎn)生型線匿，程魏囂型線圖中投握指定戇位甏繪制黯黌型線，并且 保證在一定的精度內(nèi)型線三向光順，同時(shí)操作界面友好。另外幽于本程序只 是上述軟傳載一部分，述鬟使本程序與熬德模塊馳方饅慰接。 1 3 2 研究?jī)?nèi)容與路線 為了實(shí)現(xiàn)課題的研究目標(biāo)，本課題究成了以下工作： 1 ) 建立自動(dòng)繪圖系統(tǒng) 根據(jù)濺值表按照指激的要求自動(dòng)繪出符合臻求的線條，是本程序的核心 內(nèi)褰。鑒予目裁大部分的船舶工程圖紙都以a u t o c a d 繪測(cè)，為了給后續(xù)工作 提供便利，本程序繪圖部分用v i s u mc 十+ 語言來實(shí)現(xiàn)，由于本論文傲的是 a u t o c a d 憋二次幫發(fā)，繪圖直接在a u t o c a d 下蕊操 乍，主成的怒a u t o c a d 格 式的圖紙，在圖紙的處理方面可以直接借用a u t o c a d 這方面完禱的功能。 2 ) 研究開發(fā)樣點(diǎn)及派生樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 本論文將建立樣點(diǎn)數(shù)據(jù)管聯(lián)工具，利用它w 戩根據(jù)需要擴(kuò)展原始型值 表，方便的查詢船舶任意位置型線的型傻，這對(duì)造船中肋骨的加工有爨要的 意義。 3 ) 建立本程序與主程序系統(tǒng)及其他模塊的接口系統(tǒng) 本程序作為一個(gè)軟件模塊，必須髓被主程序方便跑調(diào)用，凝觚整體功能； 并且本程序的輸入型值表，可能是其他靜水力計(jì)算模塊的輸出，當(dāng)然也 可以直接輸入。_ i | 露本程洚的輸出翔耱骨鏊線囤及其墅餐等可能怒建造、縮季哿 布鼴等程序模塊的輸入。隨著軟件的發(fā)展，接口系統(tǒng)可以使各個(gè)模塊乃便對(duì) 4 武漢璦工大學(xué)碩士學(xué)位論文 矮，耋動(dòng)調(diào)瘸，盡量減少天工：i 耍多于聯(lián)。 實(shí)現(xiàn)上訴研究?jī)?nèi)容的過程中，采用的技術(shù)路線歸結(jié)起來主要有以下兒 條： 1 ) 主簧以三次b 樣祭擬合船體型線。對(duì)于船舶首尾曲度較大的區(qū)域，酌 憾轆以冀德群條粒線，簧爨涯擬臺(tái)豹糖浚。 2 ) 以o b j e c t a r x 作為程序開發(fā)工具，它強(qiáng)大的功能和商效率代表著 a u o t c a d 二次開發(fā)麴方向。 3 ) 在充分利用a u o t c a d 現(xiàn)有界面的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)比較友好的用戶界面。 1 3 3 關(guān)鍵技術(shù) 外形不可展魑面櫸點(diǎn)數(shù)據(jù)的訪問技術(shù)將是本程序的基礎(chǔ)，型線的捶值與 擬合是本課題的關(guān)鍵，特別是菌尾端復(fù)雜曲線的擬合怒本課磁的難點(diǎn)。用戶 界面與接口也是能否贏得用戶的重要因素。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章b 樣條相關(guān)理論和型線的插值 2 1 b 樣條的概念口 b 樣條的概念最初是由s c h o e n b e r g 于上個(gè)世紀(jì)4 0 年代提出來的，如今 已得到很大的發(fā)展。b 樣條有許多種等價(jià)定義，其表達(dá)方式雖然各不相同， 但是在數(shù)學(xué)上卻有著內(nèi)在的聯(lián)系，實(shí)質(zhì)上是統(tǒng)一的。 b 樣條曲線定義為： ” p ( ，) = k ( r ) j - 0 ( 2 1 ) 其中，k ( i = 0 ，1 ，n ) 是控制多邊形的頂點(diǎn)，f ( f ) ( i = 0 ，1 ，n ) 稱為k 階( 肛1 次) b 樣條基函數(shù)，其中每一個(gè)稱為b 樣條，它是一個(gè)稱為節(jié)點(diǎn)矢量， 即非遞減的參數(shù)序列，：t o t j 。所決定的k 階分段多項(xiàng)式，也稱為k 階 ( 卜1 次) 多項(xiàng)式樣條。 b 樣條還有有多種等價(jià)定義，在理論上較多地采用截尾冪函數(shù)的差商定 義。這里只介紹作為標(biāo)準(zhǔn)算法的d eb o o r c o x 遞推定義，又稱為d eb o o r c o x 公式。約定0 0 = 0 。 1 1 加( ) 2 1 0 f s tsr 其它 f ) - 心) + 考等托) ( 2 - 2 ) 該遞推公式表明：欲確定第f 個(gè)女階b 樣條( f ) ，需要用到t f ，t i + i ，t i + k 共k + 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，稱區(qū)間t i + k 為m ( r ) 的支承區(qū)間。曲線方程中n + 1 個(gè)控制 頂點(diǎn)k ( i = 0 1 一，攤) ，要用到n + 1 個(gè)k 階b 樣條基函數(shù)f ( f ) ?；蛘叻Qk 次b 樣條。它們支撐區(qū)間所含節(jié)點(diǎn)的并集就是定義了這一組b 樣條基的節(jié)點(diǎn)矢量 r = f 。，九，“+ 。 6 武漢壤工太學(xué)碩士學(xué)位論文 2 ，2 準(zhǔn)均勻三次b 棒祭油線強(qiáng) 弼t 控弱5 3 辯3 2 2 1 準(zhǔn)均勻三次b 樣條及其正算 均勻b 樣條基在曲線定義域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)區(qū)間上凝有用局部參數(shù)表示的統(tǒng)一 鶼表達(dá)式，搜德詩算與整理麓摯方便。逛愛它建義筑麓勻8 群條麴綾有個(gè)缺 點(diǎn)，就楚沒鴦保留厭齊爾曲線的端點(diǎn)尼侮性質(zhì)，群條藍(lán)線的首尾端患不再是 控制多邊形的首末頂點(diǎn)，高于二次的均勻b 樣條曲線在端點(diǎn)處不再與控制多 邊形相切。采用準(zhǔn)均勻b 樣條曲線類型就是為了解決這個(gè)問題，他w 以使人 們對(duì)曲線在端點(diǎn)的行為有較好的控制。 三次墩均勻e 樣條鼗線靜警點(diǎn)矢量中兩端節(jié)點(diǎn)其有重復(fù)度靼，掰眷內(nèi)節(jié) 點(diǎn)成翦勻分蠢，其有重復(fù)度一。鴦茈決定的港穩(wěn)勻b 祥條墓繇定義豹準(zhǔn)均勻 b 樣條曲線就具有同次貝齊爾曲線的端點(diǎn)幾何性質(zhì)。 在曲線定義域內(nèi)，除兩端3 個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)間外，三次準(zhǔn)均勻b 樣祭撼在其他 節(jié)點(diǎn)區(qū)間上有著與三次均勻b 樣條基相同的圖彤，但當(dāng)定義域內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)間次 數(shù)少予2 ( k - 1 ) = 4 令對(duì)，爨毒重復(fù)度遙豹兩遮繁燕對(duì)這些區(qū)闖上的轉(zhuǎn)樣條 薹瓣影i 鑫褥穩(wěn)互交綴一起，豳蠢形成多耪不嗣鶼謗凌。當(dāng)怒每個(gè)醞潤(rùn)上靜b 樣條基都從整體參數(shù)u e ( u ，u i * i 變換到局部參數(shù)t e o ，1 時(shí)，這魑受影響 的節(jié)點(diǎn)區(qū)間上的b 樣條基系數(shù)矩陣也將出現(xiàn)不同的情況。這些將導(dǎo)致準(zhǔn)均勻 b 樣條曲線在計(jì)算與處理上皆要比均勻b 樣條曲線復(fù)雜的多。這也許時(shí)為了 獲褥貝齊爾鞠線的端點(diǎn)幾何靛矮所要付出的代份。在實(shí)踐中是采用均勻方案 季牽戢袋弼壤殤勻方寨，瘦該綴據(jù)蔫要孚鬟褥失來確定。 對(duì)于船舶型線而言，船舶鼯線的端點(diǎn)往往怒給定的邊界條件，控制頂點(diǎn) 與型線的端點(diǎn)重合會(huì)給型線設(shè)計(jì)帶來許多方便，因此本論文中擬臺(tái)烈線大量 運(yùn)用的是三次準(zhǔn)均勻b 樣條。 給定控制頂點(diǎn)致( i = 0 ，1 。，n ) ，定義一條三次準(zhǔn)均勻b 樣條曲線。在采 靂弱部參數(shù)下，籌z 敬鼗線方程霹竣寫為： l 輯 曠l 州m 盼 l “2 l 巧” 0 蘭f s l ，= nz ，n - 3( 2 - 3 ) 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中m 是三次準(zhǔn)均勻b 樣條基的系數(shù)矩陣，它隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的以及所 處的區(qū)間的不同而呈現(xiàn)不同的形式，而不再象均勻b 樣條有那樣統(tǒng)一的形 式。這樣對(duì)于任意的參數(shù)t ，都可以把曲線上相應(yīng)位置的點(diǎn)計(jì)算出來，這個(gè) 已知控制點(diǎn)求曲線上點(diǎn)的過程稱之為b 樣條的正算。 對(duì)于船舶中的型線，通常都至少有6 個(gè)以上的型值點(diǎn)，就需要針對(duì)不同 的情況選擇相應(yīng)的系數(shù)矩陣。下面是給定6 個(gè)以上型值點(diǎn)集合時(shí)最后一段曲 線對(duì)參數(shù)u 的插值函數(shù)： v o i d a r r s p l i n e s _ l a s t ( d o u b l eu ，c o n s ta c g e p o i n t 3 d a r r a y & c t r s a r r a y , a c g e p o i n t 3 d & p t u ) d o u b l em a t 4 4 = - 1 6 0 ，1 1 1 2 0 ，- 1 7 5 ，1 o ， 0 5 ，- 1 2 5 ，o 7 5 ，0 ， - 0 5 ，- 0 2 5 ，0 7 5 ，0 ， 1 6 0 ，7 1 2 0 ，o 2 5 ，o ) ) ； i n tn = c t r s a r r a y 1 e n g t h 0 2 ： f o r ( i n tj - o ；i 4 ；i + + ) t m p i = u + u + u + m a t 0 i + u + u m a t 1 l i l + u + m a t 【2 】【i + m a t 3 】【i 】； p t u ，x = t m p o + c t r s a r r a y n - 2 】x + t m p 1 + c t r s a r r a y n 一1 】x + t m p 【2 + c t r s a r r a y n x + t m p 3 + c t r s a r r a y n + 1 x ： p t u y = t m p o + c t r s a r r a y n 一2 】y + t m p 1 + c t r s a r r a y n - 1 】y + t m p 2 + c t r s a r r a y n y + t m p 3 + c t r s a r r a y n + 1 y ； 2 2 2 準(zhǔn)均勻三次b 樣條曲線的反算 已知控制頂點(diǎn)，根據(jù)上述公式可以計(jì)算b 樣條曲線上的每一個(gè)點(diǎn)。但是 在船舶型線的設(shè)計(jì)中，往往給出的是通過母型船改造法、圖譜法等方法初步 設(shè)計(jì)出來的型值，要對(duì)這些型值進(jìn)行b 樣條擬合和計(jì)算，必須首先求出某組 型值的控制多邊形的頂點(diǎn)，即根據(jù)給定的型質(zhì)點(diǎn)計(jì)算控制多邊形的頂點(diǎn)，較 之于前面的過程，這種個(gè)過程稱之為反算。 計(jì)算控制頂點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣如下所示，有5 種具有代表性的情況： 第一段曲線： 霉( ) = 3 f 2 第二段曲線 p a t ) = 3 2 t1 武漢璦工大學(xué)鉚i 士學(xué)位論文 第三段至n - 3 段( n 為型值點(diǎn)總個(gè)數(shù)) 曲線 霉( ) = 曇 ，f z f o 第小2 段( 翻數(shù)第二羧) 蘸線 囂一2 ( ) ： 3 t 2t1 第n 一1 段( 最后一段) 曲線 9 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 一隔愀瞞m 遐引1剛叫剛 強(qiáng)一他320 o 一 74923 o o ，o， 圪以k 1 6 o o 0 ，一2一2，一2；一6，您；4；o，|旺，一4，一40o，一4 3 + + + p k 酶矸 vijn#皿 o o o o 3 3 ， 3 島0 4o ，o 。 rlq；l 叫l(wèi)j 阻阪 ；0ijj#lhou；， l 一4 o o o 7撥一2；一2一6 ，一2 o 2 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 只一，( f ) ：l ，2 t1 忙 為簡(jiǎn)便計(jì)，記乃p ( 0 ) 為只，則由式( 2 - 4 ) 至式( ( 2 8 ) ，可以得到下式 只= k 最= 丟砭+ 云k + ： ( 2 _ 8 ) j 尸，摹吉? + 詈巧：+ 吉k ，c ，= 3 ，4 ，胛一3 ， 。2 9 ， lz ：一：= ：i - ：一：+ ；r ：一。+ 丟k 。 卜= 扭+ 云k + 批 1 只= k + ：( 最后一段曲線的末端) 組。 2 2 3 端點(diǎn)條件和構(gòu)造插值三次b 樣條曲線的方程組 式( ( 2 9 ) 中的方程的數(shù)目為n ，欲求頂點(diǎn)數(shù)為n + 2 ，還缺少兩個(gè)條件。為此 在這里補(bǔ)充兩個(gè)端點(diǎn)條件。設(shè)首、末端切矢為己知，則可以得到： 首端切矢：只= 3 ( 巧一n ) = 3 比。3 p j 末端切矢e = 3 ( n + 2 一+ 1 ) = - 3 一3 + ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 i ) 綜合式( ( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，可以得到根據(jù)給定的型值點(diǎn)計(jì)算控制 點(diǎn)的方程組如下： 1 0 743434一4 一坦，o，一o，一他 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 e 十3 異 最 只 只2 球l 3 p 一只 ( z - 1 2 ) 解方程組( ( 2 - 1 2 ) 就可以得到、巧一圪+ 1 ，因?yàn)橐阎猭 = ， 及吒+ ：= 只，從而求得全部頂點(diǎn)。 兩端取自由端條件時(shí)，則式( ( 2 - 1 2 ) 將變?yōu)槿缦路金⒔M 其酋端頂點(diǎn)h = 鼻，朱端頂點(diǎn)圪+ ：一只，。 將式( 2 一1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) 合并，可以得到如下公式 ( 2 - 1 3 ) 蠔吩k 攻 l 一6l一6237一妲；一6 l 一4 3 l 一4 3一47一垃0 32l一6 15 囂b囂 蛾 以心狡， 。艮k k l 一6 l一6237一壇；一6 o ，一4 9 l 一4 9一47一坦o 32；一6 ，l一6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 砭 巧 圪一 圪 l 式中b 。，q ，d 。，d 。，b 。，d 。分別按如下公式選取 當(dāng)給定端點(diǎn)切矢時(shí) b i2 3 ，c 1 = 0 ，d l = 鼻+ 引 玎，= 0 ，b 。= 3 ，以= 3 只+ 3 只 當(dāng)取自由端條件時(shí) b 1 = 9 ，c l = 一3 ，d i2 6 e , a 。2 - 3 ，鞏= 9 ，d 。2 6 只 兩種端點(diǎn)條件可以混合使用。但是它們的首、 值點(diǎn)重合，即k = 只及k + ：2 只。 d 1 最 b 只一2 & l d ， ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 末頂點(diǎn)都分別與首、末型 這樣求得了型值點(diǎn)的控制頂點(diǎn)，就可以按照前面提供的公式，通過插值 得到擬合曲線上的任意一點(diǎn)，連接這些點(diǎn)便得到所求的擬合曲線。 下面是端點(diǎn)自由支持條件下反求控制點(diǎn)的函數(shù)原型。 v o i dg e t c t r s ( c o n s tc g e p o i n t 3 d a r r a y & m a r r a y , a c g e p o i n t 3 d a r r a y & c t r a r r a y ) f c o n s ti n tn = m a r r a y 1 e n g t h ( ) ； c t r a r r a y s e t l o g i c a l l e n g t h ( n + 2 ) ； d o u b l e + a ，岫，+ c ，+ 1 ，+ u ，+ d ，+ t ； a = ( d o u b l e + ) e a l l o c ( n ，s i z e o f ( d o u b l e ) ) ；1 n 一1 b = ( d o u b l e + ) c a l l o c ( n ，s i z e o f ( d o u b l e ) ) ；1 0 n 一1 c = ( d o u b l e + ) c a l l o c ( n ，s i z e o f fd o u b l e ) ) ；i 0 n 一2 d = ( d o u b l e + ) c a l l o c ( n ，s i z e o f ( d o u b l e ) ) ；t 1 0 n 一2 1 2 1 一 l 一6 2 7心 q 一4 b 一4k，47也 32一6 l 一6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一一_”_”-wh_h l = ( d o u b l e + ) e a l l o c ( n ，s i z e o f ( d o u b 耙) ) ；t 玲l t = ( d o u b l e + ) e a l l o c ( n ，s i z e o f ( d o u b l e ) ) ；t f 0 小l ， u = ( d o u b l e * ) c a l l o c ( 玨，s i z e o f ( d o u b l e ) ；腳萎l ，初始化轉(zhuǎn)換矩陣 l a i b 翻c l i 】 | | 試冀 f o r ( i = 0 ；i n ； + 蛩 d 【i 】m c 【i ； 釷f 鋤一b 【餐； f o r ( i = l ；i n ；i + + ) l i l = a i u i l j ；u i l = b i - l i l 。e f i 一 】； ，求控制點(diǎn)的橫坐橋x t 0 l = 6 。n l a r r a y 0 。x ；d t = 6 p 1 f o r ( i = l ；i 0 ；i ) c t r a r r a y i = c t r a r r a y i * l 】； c t r a r m y 0 l = m a r r a y 0 ； 灌瓷轟 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 1 3 樣條擬合船舶裂線n ， 1 單根烈線豹擬合 在繪懋了一緩墼篷及其邊爨條薛黻螽，先列羽三次準(zhǔn)均勻器櫸條弱反冀 求褥鬃線酶控制頂點(diǎn)，然螽遴行b 祥條懿正冀邋程，便得虱按合簌籍線上的所 有型值點(diǎn)。在每一段上取足夠小的步長(zhǎng)，把插德得到的點(diǎn)連接起來，便能得 到足夠光滑的擬合曲線。 設(shè)菜船半條水線的型值如下表所示：( 單位：m ) y ；= 0 5 1 ，y ：一0 l 墨 0 o3 。36 69 91 3 。21 9 + 82 6 。43 3 + l 班 1 2 72 6 84 1 05 25 8 66 3 76 4 06 4 0 表2 1 用準(zhǔn)三次b 樣條擬合，則可算得有8 個(gè)控制點(diǎn)，如下表所示： l 墨 o ol 。0 63 - 3 36 5 49 8 4 1 4 2 61 9 。8 52 6 43 0 83 3 o | 玨 l 。2 7l ，8 22 6 24 。1 55 + 2 76 1 l6 。4 5 6 3 96 。46 。4 ；匕二二二 1 4 斌漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 黼2 - 2 羧合趨線及其控露l 多逮形( 蜀幫) 從表2 - 1 ，表2 - 2 和圖中都可以看出，控制多邊形和曲線的端點(diǎn)重臺(tái)， 并且性也l 得到了體現(xiàn)。 上述計(jì)算過程是固定的，只要步長(zhǎng)取的足夠小，總能滿足插假的精度， 準(zhǔn)一的交數(shù)就是端部條彳牛，嗣樣的一組型值，端郟條件的不嗣可以餿型線的 影獲發(fā)，圭壤大豹交筵，下囂閹縫羹篷在臻夥條終不弱裝綴合 ! 馨裂戇囂條麴 線：( 左端點(diǎn)導(dǎo)數(shù)分別為0 8 7 祁0 0 ) 銎2 - 3 蜷蠡象待建楚線羧會(huì)貔影嫡 由此w 戩著出，對(duì)船舶濺線擬合效采的好球，直接取決予霹黼舷每條墼 線端部條件的設(shè)置是否合理。然而，船舶型線的端部條件非常復(fù)雜，具有很 大的隨機(jī)性，離開人工的干預(yù)，想把每條型線的端部條件都設(shè)置合理是不可 能的，我們只能針對(duì)不同的船型，找出大致的規(guī)律。本文計(jì)算的實(shí)船是一 條普通受麓，型線擬合中對(duì)麓線蠛部條律豹設(shè)鬟注意豹主要有以下幾點(diǎn)： 武漢理工大學(xué)碾士擎艇論文 1 ) 半寬永線圈中水線、主甲板等與酋端圓弧的切點(diǎn)估算以后，根據(jù)圓的 規(guī)則性可以比較方便的計(jì)算出此處的切向，作為線條主體部分的前端部切 向。對(duì)于位置比較高的水線和主甲板線，由于曲線尾部的比較平直，可以看 作燃螽出支持。而位置較低的水線和船底投，由于與水線圖的旗線夾角很小， 籍搴鰓對(duì)篷不超過0 4 。 2 ) 綴截線中翡主攀板線，舷穡頊線，蔣尾摟甲板透線鑫j 予魄較平緩，都 可以褥作是兩端自由支撐，輪廓線近似為贏線段，故首端點(diǎn)墩可以看作是自 由支持。 3 ) 除了首尾附近的橫剖線，船中部大多數(shù)橫剖線在下端點(diǎn)處與船底想 切，建予本論文計(jì)算戇嶷憝沒有魅舞離，戇接與乎第褶切囂麟率為零，主甲 板，蘺尾褸甲板，舷撩預(yù)線在孛線蠢楚戇螭煮豹斜率氌為零。 這早只是講了一欺端點(diǎn)情況比較容翁確定的地方，并且也只限于本文所 計(jì)算的船的情況，對(duì)于不同的船舶，要視鼴體情況而定。 1 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章型線的光順 船體外形是光順的空間曲面。在設(shè)計(jì)圖紙上，它是利用三面正投影，通 過三組相互垂直的平面( 縱剖面、水線面和橫剖面) 與船體表面相交得到三 組曲線，分別稱之為橫剖線圖，半寬水線圖和縱剖現(xiàn)圖。由于必須要保證船 體外形的光順性，作為船體外形在平面上的投影，所以必須要保證型線光順 性。對(duì)于初步設(shè)計(jì)出來的型線圖，必須要進(jìn)行光順處理。 3 1 樣條曲線的描述m 1 3 1 1 樣條的小參數(shù)物理模型 放樣工人手中的樣條，可以看成是材料力學(xué)上的一根等寬度等厚度的質(zhì) 地均勻的而有彈性的粱。當(dāng)壓上壓鐵并按照型值點(diǎn)分布位置圍成一條曲線 時(shí)，此時(shí)可以把壓鐵的重力通過地板的摩擦力橫向作用于樣條上的彈性外 力，看作是彈性梁在型值點(diǎn)處所受到的集中載荷，如圖3 - 1 ，在樣條上任取 一小段，設(shè)樣條中心軸方程為 v = y ( x ) 圖3 - 1 樣條模型 武漢理工夫?qū)W矮圭學(xué)位論文 粱段的兩個(gè)橫剖面?zhèn)錇閍 a 和拍，經(jīng)放大后，令p 是梁的中心軸上的點(diǎn)a 處的曲率半徑，而口b 和6 6 是梁上的同剖面在受彎以前和受彎以后的位置， 在b b 剖面上距離中心軸為v 的地方任取一點(diǎn)p ，而q 是點(diǎn)p 點(diǎn)在彎曲后的 位甏。根據(jù)受力平衡條件，則梁在受力平衡屢，滿足以下條彳牛： 嘉赤2 參e 扣2 。 海， ( 3 - 1 ) 是在x 不是處于壓鐵壓點(diǎn)位鼴攤導(dǎo)出來的，在并處于壓點(diǎn)位置 時(shí)，樣條的剪切力將肖間斷點(diǎn)，因此，( x ) 的三階導(dǎo)數(shù)將有間斷點(diǎn)，但是j ， ( x ) 熬一除、二除導(dǎo)數(shù)剩是處娃連續(xù)熬；這里把葵壽一除、二- 泠連續(xù)導(dǎo)數(shù) 苴在褥鄰型值點(diǎn)之聞滿怒微分方程( 3 - 1 豹一類曲線稱為櫸祭馥線。