杜广东[1]2000年在《NURBS技术剖析及其在船体线型表达上的行为研究》文中研究指明非均匀有理B样条（NURBS）技术是现代曲面造型中最为广泛流行的技术。本文在对NURBS技术做了深入剖析与研究后，就一些算法进行了改进，提出了一些新算法，并将其应用在船体曲线曲面的表达上，获得了一些经验与认识。 论文在第一章简要叙述了曲面造型的意义，对曲面造型的发展历史进行了回顾，并对论文工作的一些主要工作做了说明。 论文在第二章讨论了NURBS的基础—B样条曲线的基本理论。κ次B样条曲线的方程为：p(u)=sun from i=0 to n (d_iN_(i,k)(u) )，可见，B样条曲线方程由控制顶点d_i；k次规范B样条基函数N_(i,k)（u）（由节点矢量U决定）和曲线上的点p（u），这三部分组成。几个最基本的算法也是围绕这三部分展开的。如果已知控制顶点d_i，求曲线上的点p（u），称为“正算”；已知曲线上的一系列点p_i，求控制顶点d_i，称为“反算”。无论“正算”、“反算”，都要求首先确定节点矢量，从而由节点矢量确定B样条基函数。节点矢量通常是根据已知的d_i或p_i确定。 论文在研究和讨论了根据插值点p_i构造节点矢量的4种方法：均匀参数化、积累弦长参数化、向心参数化和福利参数化的基础上，将各种方法应用在构造船体插值横剖线上，并进行了详细实验与分析比较，取得了一些结果。又将向心参数化方法与福利参数化方法进行综合，取其各自优点，提出了一种混合参数法：向心福利参数法，通过一些实际应用证明，这种混合参数法有其优点，更加适用于船体型线的表达，具有实用价值。 在用控制点构造节点矢量的问题上，首先讨论了里森费尔德方法与哈特利—贾德方法。之后，根据插值曲线、逼近曲线在几何上的相似性，借鉴全局插值方法中根据插值点构造节点矢量的方法，将其移植过来，作为一种新的根据控制点构造节点矢量的方法，并就该方法的合理性，进行了分析，通过具体例子验证其在实际应用中的可能性，结果表明，该方法有其使用价值。 鉴于B样条反算的复杂性，论文专门在第三章讨论了B样条曲线曲面的反算 摘 要 问题。先讲述了传统B样条曲线曲面反算方法，并在其基础上，借鉴一些文章中 提出的一些简便的反算方法，通过总结推广，提出了一种具有更广泛应用范围的 简便的反算方法。另外，在第三章还介绍了全局插值的反算算法。 在第四章，叙述了B样条曲面的一些理论，并以一艘双尾鳍船为例子，采用 等分横剖线、水线的方法得到控制点网格与两个方向的节点矢量，应用插值方法 与逼近方法构造了该船的插值横剖线与逼近横剖线，并应用双三次B样条曲面构 造了该船的曲面网格和造型曲面。 在第五章，叙述了NURBS的一些基本概念，就NURBS曲线曲面方程的三种表 达形式做了比较分析，讲述了权因子的几何意义及其对曲线曲面形状的影响，以 及一般意义下的有理B曲线曲面插值概念，最后就NURBS曲线曲面形状的修改方 法进行了讨论。 最后，在第六章，总结了全文工作，并对以后应努力的方向做了展望。
张明霞[2]2002年在《基于NURBS曲面的船舶破舱稳性计算方法研究》文中指出本文对基于NURBS的船体破舱稳性计算方法所涉及的关键技术进行了研究。 本文的核心目的是在三维空间基于船体曲面计算破舱稳性，以避免传统计算方法的缺点，从而提高破舱稳性计算的稳定性与效率。破舱稳性计算的关键是在任意浮态下计算水线面下船体及破损舱室的几何要素。如果破舱要素取为零，其计算就变为完整稳性计算；如果水线面为水平面，那么所求船体的几何要素就变为静水力曲线计算的基础。 随着计算机技术与复杂曲面造型技术的发展，计算机上的船体型线的描述，目前已发展成为三维曲面乃至三维曲面实体表达。与线框图相比，三维图形中包含的信息更为丰富，实现了计算机上船体模型的模拟。在这种情况下，船舶静力学性能的计算，可以突破以往计算中所必须的一些假设及简化，而是直接通过船舶静力学性能计算的基本原理，在船体曲面图形上直接进行计算。不用再通过横剖面、水线面等进行积分。 由于船体曲面是典型的自由曲面，故适合用NURBS方法表示，又由于船体曲面与水线面所围的空间区域是封闭区域，所以可以运用Gauss定理，计算空间封闭区域的几何特性。而为了计算此空间封闭区域的几何特性，首先必须求出船体曲面与任意水线面的交线。所以本文首先研究基于NURBS的船体曲面造型，接着研究基于NURBS的参数曲面与任意隐式曲面的求交，求交后船体曲面与水线面所围的空间封闭区域形成，再运用Gauss定理计算三维空间封闭区域的几何特性。这就是本文的总体思路。 (1)研究了NURBS插值边界条件对插值曲线的首末两端形状的影响规律，构造不同的船型曲面，需要根据实际情况确定相应的边界条件是必要的。研究了NURBS的曲线与曲面的正算、反算算法及其边界条件的确定方法，实现了任意点列的NURBS插值与逼近及船体曲面造型。 (2)实现了NURBS参数曲面与广义的隐式曲面的求交算法并将其应用于船体曲面与水线面的求交中。利用该算法可以求出任意浮态下的船体与水线面的交线。该方法基于二维标量场抽取等值线，与其它求交算法相比，其优点是不需要交线的初始点，避免了由于初始点选取不当而导致求交失效；同时不需要迭代，也不需要交点的导数信息。 (3)建立了基于NURBS的船体在任意浮态下的三维几何特性计算新方法。运用Gauss定理，关于空间封闭区域的三重积分可以转化为沿封闭边界曲 摘要面的二重积分。船体在正浮时采用关于参数域的积分计算船体几何要素；在任意浮态下对边界曲面进行三角剖分，构成三棱锥。通过计算三棱锥的几何特性得到船体在任意浮态下的几何要素。 （4）对概率破舱稳性计算中多舱组合破损时船体的浮态与稳性计算发生异常的原因进行了研究。在概率方法中，需要计算一系列的破舱组合下船舶的稳性曲线，由一舱破损、相邻两舱破损到相邻三舱破损再到相邻四舱破损等，由于这种破舱组合是由程序来实现的，多舱组合破损时计算过程中浮态与稳性的计算可能异常而导致程序中断。文中探讨了发生此现象的原因，使得程序能够此种异常情形，实现了具有任意多舱破损组合的概率破舱稳性计算。 （5）本文给出了基于剖面曲线的积分计算模型中任意浮态下的船体及破损舱的每个横剖面与水线的交点分布，并将完整船舶与破损舱室在任意浮态时水线下的要素计算、完整船舶与破损船舶的浮态计算与稳性计算分别统一为一个过程。计算结果表明，这样处理简化了编程。
冯佰威[3]2011年在《基于多学科设计优化方法的船舶水动力性能综合优化研究》文中研究说明传统的船舶设计大多采用母型船改造的方法,仅仅追求某些主要的性能指标满足要求,即使开展优化设计,也是针对单个学科的某些指标进行,无法兼顾各学科多性能之间的协调平衡,无法使设计船舶的系统综合性能达到最优,这严重限制了船舶设计质量的提高。因此,目前的船舶设计迫切需要一种新的设计理论和方法作指导!随着现代产品设计方法学的发展和成熟,以及计算机相关技术的进步,复杂工程产品的系统设计有了新的方法和模式。起源于航天、航空领域的多学科设计优化方法是先进设计方法学的典型代表。该方法可以充分利用各学科之间相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解,并通过实现并行设计来缩短设计周期,从而使研制出的产品更具有竞争力。目前该方法的基本理论发展得相对成熟,但具体应用到像船舶这样的复杂工程产品上还有很大的困难,这主要是因为船舶自身还有很多关键问题没有得到有效的解决,如系统建模技术、参数化主模型、学科视图模型的生成机制等等,对这些关键问题的深入研究将有助于推动多学科设计优化方法在船舶领域的顺利实施。基于上述分析,本论文重点围绕船舶自身的关键问题开展研究工作。为降低问题的复杂程度,缩小研究范围,本论文主要围绕船体型线水动力性能的多学科设计优化开展相关关键技术的研究。重点探讨了船舶多学科设计优化的特点及设计过程模型,旨在为船舶领域如何有效实施MDO提供思路。在此基础上,从船体型线水动力性能综合优化的具体问题出发,研究了系统实现过程中所需要解决的基础理论问题,最后建立了船体型线多学科设计优化平台。论文的主要研究内容涉及以下六个方面：1.船舶变复杂度进化设计过程船舶设计是一个多学科、多目标、多变量和多约束的复杂工程问题。传统的设计螺旋方法是船舶设计过程发展史上的一个重要模型,已经被广大设计人员所认可。但传统的设计螺旋更多是对设计步骤的说明而对于设计过程本身的描述并不完善。在分析船舶设计特点的基础上,总结了传统设计过程模型的不足之处,在此基础上发展了基于MDO的船舶设计过程模型。为顺利实施多学科设计优化方法,对船舶系统设计的本质进行了剖析,提出将进化设计的思想与变复杂度建模方法结合起来,发展成为变复杂度进化设计模式。2.船体型线参数化主模型的建立船舶多学科设计优化过程中,各学科均要进行相应的仿真分析。为了确保各学科分析所需数据源的唯一性,必须建立船舶的主模型。本部分以船体型线的主模型建立为目标,提出为实现船舶水动力性能的综合优化,必须采用参数化技术建立船体型线的主模型。深入探讨了船体型线的参数化建模原理,并对现有的参数化建模方法进行了对比分析,在此基础上提出了基于NURBS的船体曲面修改融合技术。3.船型水动力性能分析的视图建模各学科在进行仿真分析时所需的学科视图模型是不一致的,因此必须基于同一个主模型为水动力性能不同学科提供相应的学科视图模型,这是实现自动优化的关键。为实现此目标,提出了基于主模型进行水动力性能多学科视图建模的思想,在实现途径上主要是通过对主模型(IGES)文件进行解析和转换,并针对船舶阻力性能及耐波性能的学科视图模型需求开发了模型生成器。4.综合优化数学模型的建立及系统重构为实现船型水动力性能综合优化,必须根据具体优化问题建立优化的数学模型。分别阐述了优化变量、优化目标及约束条件的选取及确定方法。针对优化数学模型的求解,提出了多目标优化的Pareto方法。分析了船型水动力性能优化系统的结构,提出为提高优化效率,必须对优化系统进行重构。通过借鉴IDF模型,提出了基于Pareto方法的系统重构方法,并分析了系统重构后的优化流程。5.平台开发及实例验证为支持船舶变复杂度设计模式,同时也为了给工程设计人员提供便利环境,以进行船型的多学科设计优化研究。重点以船型水动力性能综合优化的流程为基础,研究了平台实现过程中的数据集成和过程集成方法,在此基础上开发了船体型线多学科设计优化平台。最后,以多个船舶优化实例进行了验证,结果表明该软件平台具有一定的工程实用价值。6.船型优化效率的提高为提高船型优化效率,结合船体型线多学科设计优化平台,提出了“人机结合”的思想。阐述了在线型优化开始前,应采用专家经验进行船型库的建立,同时依据专家经验进行初始优化解的设定。为获得全局最优方案,探讨了平台现有优化算法的不足之处,提出混合优化算法的研究思路,并进行了数值算例的验证。
王健[4]2017年在《MDO方法在水面舰船总体概念设计中的应用研究》文中认为总体设计是水面舰船设计的核心环节,是将舰船研制过程所涉及的总体布置、航行性能、结构、动力、电力、武器等学科进行综合权衡、集成优化的过程和方法。同时,水面舰船总体设计也是一个反复迭代、螺旋渐进的深化过程,在整个设计周期中概念设计阶段对于优化舰船总体性能、提升设计质量、控制风险具有极其重要的作用。然而,由于传统优化方法无法充分考虑复杂系统间的耦合效应,即使在设计经验丰富、设计输入明确的前提下,也难以在全局空间内获得总体最优的设计方案。20世纪90年代初,多学科设计优化作为一个新的研究领域,首先在航空航天工业界兴起,现已逐渐应用到其它领域。在舰船研制领域中,多学科设计优化方法已受到国内外学术界和设计人员的广泛关注,研究成果表明,通过采用合适的多学科优化策略,可充分利用各系统间的协同效应,从而获取整体最优的设计方案。然而,水面舰船总体设计的复杂性和耦合性更为突出,如舰船总体设计数学模型构建、船体型线参数化建模、总体方案综合效能评估等,使得多学科优化方法在水面舰船工程应用还面临较多的困难,在一定程度上限制了水面舰船实际工程中的进一步应用。对此,本论文围绕水面舰船总体概念设计这一关键问题,开展多学科设计优化方法的应用研究,重点探讨了多学科优化策略、船型自动变换技术、总体布局设计优化、近似优化策略等关键技术,建立了水面舰船概念设计的多学科优化模型,为在水面舰船总体设计中应用多学科设计优化方法提供思路和支撑。本文主要进行了以下方面的研究:1.分析对比了不同多学科优化方法的特性及在舰船总体设计中的适用性对MDF、CO、BLISS等多学科优化方法的思路与流程进行了较为全面的总结,结合数学算例,从求解效率、收敛率和稳定性等方面进行了对比分析;在此基础上,结合舰船组织结构特点,针对舰船总体设计具有多系统、多约束、多目标等特点,剖析了不同多学科设计优化方法的优缺点,以及其在舰船总体设计中应用的适用性。2.提出了面向目标分解的水面舰船总体设计框架及相应的优化算法多角度分析了水面舰船总体设计特点,探讨了设计过程中所存在的矛盾性、耦合性、复杂性;总结提出了面向设计过程、面向产品组成和面向目标分解等三种舰船总体设计的结构框架,并分析了各自身特点;重点针对面向目标的分解结构,探讨目标分解、协调与优化的过程与思路,分析目标分解多学科方法与该分解结构的适应性,并采用动态差异的增广拉格朗日松弛方法改进了目标分解优化方法,结合实例搭建了简化的船舶概念设计优化模型,验证了目标分解结构的有效性和优化算法的收敛性。3.建立了水面舰船的船型参数化模型及基于NURBS基函数的船型变换方法探讨了船型参数化建模的原理,针对具有方艉、球鼻艏、大外飘等特点的水面舰船,建立了主船体型线工程化的参数体系和参数化主船体曲面模型,分析提出了该方法面临参数众多且参数间存在相互影响的现象。改进了基于NURBS基函数的船型自由变换方法,提出了一种避免局部坐标转换求解的控制网格、节点矢量的高效设置方法,以及指定一个或多个型值点的船型自动变换算法,实现了利用少量控制点达到船型全局变换的目的,并通过实例验证了该方法的有效性。4.构建了水面舰船概念设计的主要学科分析模型围绕水面舰船概念设计,分别建立了静水力、快速性、耐波性、操纵性、总体布局和重量重心等六个学科的数学模型。其中,针对快速性等理论较为成熟的学科,分析提出了适合概念设计阶段的性能预报方法,并权衡计算精度和时间成本两方面因素,提出了数值仿真试验采样、响应面拟合的学科分析模型;针对总体布局、重量重心等依赖设计经验的学科,通过提炼与总结,建立了符合概念设计深度的数学模型,体现实际工程中总体布局学科对舰船概念设计优化的重要影响;同时,提出了与改进FFD船型变换方法相适应的静水力计算方法,可扩展对不同船型的适用性,并开发了相应的程序。5.验证了水面舰船概念设计多学科优化模型与改进方法的工程应用有效性系统分析了水面舰船概念设计的优化目标、总体约束、设计变量,采用层次分析法与多属性效用函数,提出了总体优化目标的综合效用函数;建立了基于响应面近似和目标分解方法的水面舰船概念设计多学科优化模型,并在ISIGHT环境下构建了集成优化平台,实现了目标分解优化过程与各学科分析模块的有机融合、数据接口的自动交互;通过实例优化分析与验证,表明本文提出的数学模型、相关算法及多学科设计优化方法在舰船总体概念设计中应用的有效性。
参考文献：
[1]. NURBS技术剖析及其在船体线型表达上的行为研究[D]. 杜广东. 大连理工大学. 2000
[2]. 基于NURBS曲面的船舶破舱稳性计算方法研究[D]. 张明霞. 大连理工大学. 2002
[3]. 基于多学科设计优化方法的船舶水动力性能综合优化研究[D]. 冯佰威. 武汉理工大学. 2011
[4]. MDO方法在水面舰船总体概念设计中的应用研究[D]. 王健. 中国舰船研究院. 2017