船型特征参数驱动的最小阻力船型优化设计方法研究

The hull surface with bulbous bow or hard chine line must be divided into several patches while being represented by NURBS surfaces which is widely used in the field of CAD. Such method increases the complexity of surface modeling and affects the parametric design efficiency of the hull surface.To overcome such shortages of NURBS surface, and to improve convenience, flexibility of the ship hull surface generation and modification, a new method based on T-spline technique for parametric design of ship hull surface has been putforward. The optimization design of ship hull was realized by using the T-spline surface to express the ship hull, which was modeled and modifid by its characteristic parameters directly, combining with nonlinear wavemaking potential flow theory method to solve the ship resistance and attitude. Present research projects would provide theoretical support and practical tools for advanced ship hull form parametric design, especially new type ships such as trimaran, and further enhance shipbuilding CAD / CFD integration design level of China.

当前CAD领域广泛使用的NURBS曲面在表征带球鼻艏、折角线船体曲面时必须分片处理，增加了船体曲面造型复杂度，影响船体曲面参数化设计效率。为了克服NURBS曲面表征船体曲面的这些不足，提高船体曲面生成和修改的便捷性、灵活性，提出一种基于T样条技术的船体曲面参数化设计方法。基于T样条表征船体曲面，通过船型特征参数直接驱动船体曲面建立和调整，结合非线性兴波势流理论方法求解船舶阻力及航行姿态，实现船型优化设计。项目研究可以为先进的船型参数化设计，尤其是诸如三体船这样的新船型参数化设计提供理论支撑和实用工具，并进一步提高我国船舶CAD/CFD一体化设计水平。

当前CAD领域广泛使用的NURBS曲面在表征带球鼻首、折角线船体曲面时必须分片处理，增加了船体曲面造型复杂度，影响船体曲面建模和优化效率。为克服这些不足，提高船体曲面生成和修改的便捷性、灵活性，研究提出一种基于T样条技术的船体曲面参数化设计方法。与NURBS曲面相比，采用单个T样条曲面就能够用更少的控制点表征复杂的船体局部特征，T样条曲面非常适合用于船舶设计中的船体曲面造型。以典型水面舰船船体曲面表征为例，说明所提方法在船体曲面造型及修改方面的能力和优势，该方法可大大提高船型优化设计效率，具有较大的理论意义和实用价值。与此同时，为更好地解决船体曲面逆向建模问题，提出了基于几何迭代的T样条船体曲面逆向逼近方法，成功实现带多折角线、球鼻首、方尾等复杂特征船体高效、精确的逆向表征。同时，还提出了一种三维船体曲面的自动化建模技术，即实现了传统二维型值表或二维型线图到三维船体曲面的自动化建模过程。最终建立了船体特征参数与船体曲面的映射模型，将船体曲面特征参数分为全局、船首、船中和船尾4组，依据这些参数建立T样条控制网格，通过特征参数直接驱动船体曲面调整，使船型修改变得直观和简便，且更具有针对性。在理论研究基础上，基于Rhino软件成功开发基于T样条曲面技术的船体型线敏捷设计分析系统：采用单个曲面完成球鼻首、折角线、涡尾等复杂特征的船体曲面表达；采用主尺度、排水量等特征驱动船体曲面的修改，更加符合设计者修改意图；基于三维完成船型设计与修改，与此同时，传统二维型线、型值表随曲面变化自动生成，设计水线状态静水力参数等实时计算，保证了交互设计的快速便捷；集成阻力计算的最小阻力船型优化框架，使得船型优化更加直接高效。