一种新的滑行隧道艇船型参数化设计方法外文翻译资料

 2022-07-25 14:10:49

一种新的滑行隧道艇船型参数化设计方法

摘要

本文开发了一个新的数学程序用于滑行隧道艇船型自动生成。由于船型生成的复杂性和耗时性，在设计和优化这些船的船型时，使用灵活、精确的方法是至关重要的。本方法采用最少的输入控制参数来设计船型几何。在建模过程中，首先分别采用多项式函数和非均匀有理B样条（NURBS）曲线定义了四个纵向准则函数；随后，基于指定的控制点分别采用抛物线、椭圆和NURBS三种模型来生成剖面曲线；最后生成光顺的横截面、表面和实体模型。基于上述三种不同的模型，本文分别生成了多个船型，表明该方法能够精确且快速地生成滑行隧道艇线型。

  1. 引言

在船体型线的设计过程中，船舶几何模型的建立对于确定水动力特性与结构分析是一个不可或缺的步骤。在诸多设计因素之间互相高度影响的情况下，应该通过螺旋桨的设计来打破所有限制以获得最佳的船体。因此，它需要多次重复设计过程以达到最佳的模式。一个几何模型的设计和它的网格生成是软件的预处理器，它应该与求解器结合。在像多船体和滑行艇的复杂体中，目前的方法足够有效和适当去制定船体几何模型。

先进的高速船（ahsmv）有四类基于物理支持：流体动力学、空气动力学、空气动力升力学和流体静力（浮力）学（Papanikolaou，2002）。图1给出了各种类型的基于物理支持的ahsmv船型。

隧道艇是一种特殊的高速船，只有少数研究者对其船型设计进行了研究。这些船舶通常根据体积傅汝德数被划分为滑行艇。考虑升力的滑行艇有一个瞬态行为，在空气动力学、流体动力学和流体静力学三种状态之间转变。最后，基于船型的分类，这些船舶被认为属于多船体船。

速度和阻力是滑行艇水动力性能的两个关键因素。因此，船体模型的生成在用数学方法和实验方法优化船型的过程中是一个主要的步骤。由于这个过程是昂贵的和耗时的，基于最小输入控制参数，生成船型的自动化方法的获得是一个基本任务。

一些研究人员已经研究了不同的简单船型的产生。Min amp; Kang（1998）开发了一种替代型超高速船舶的理论船型设计方法。他们使用了一种船型设计方法，准备了一系列60种船型系统的最重要的设计变量的变化，并为船模进行了模型实验。一个参数和数学建模的方法是由Abt等人提出的（2001），用于设计基于允许船体迅速而有效的创建和变化的友谊的方法的船体型线。Hinatsu(2004)创造了一种方法，利用傅里叶级数和非均匀B样条曲线，用最少的参数来生成船体表面。Kim and Nowaki (2005)提出了一种参数化设计方法，使用四种基本数学运算符和B样条曲线来创造复杂的船体型线。Liu等人（2005）提出了一种算法来生成船体形状，用来限制控制点的扰动范围，并获得更好的、更合理的船体。另外，Perez-Arribas等人（2006）提出了一种用样条曲线来自动生成船体型线的方法。B样条曲面的方法是由两组研究人员(Mancuso,2006; Sarioz, 2006)在船型设计时同时使用的。

另一个可供选择的工作是在两个限制曲线之间创建一个准可展B样条曲面的方法。边界曲线，如船舶的中心线、下巴线和舷弧线都使用B样条曲线进行建模(Perez and Suarez, 2007)。此外，基于一个由非均匀B样条和迭代过程组成的混合的方法，Wang 和Zou (2008)已经生成了船体的几何形状。基于非均匀B样条曲面，Perez 和Clemente (2008)对弯曲舭渔船几何参数的生成作了报告。最近，Ventura 和 Guedes Soares (2012) 使用NURBS提出了一种对参数曲面交点的计算方法，使用时对一些具体的适用于船体建模的要求要特别注意。

Calkins等人(2001)开发了一种自动化计算方法，用于在概念设计步骤中定义一个滑行船的型线。他们专注于单体和双体滑行船船型设计使用的数学方法。

这些研究大多都致力于简单船型的生成，而不是复杂的多体船。似乎在滑行艇模型的研究中缺乏快速和先进的方法。本文在这些船只的概念设计阶段开发了一种创新的方法用来自动生成船型。此方法是基于最小控制和船型输入参数调整的几何创建指南。建模过程分为两个主要步骤。首先，四纵准则函数根据使用多项式函数和NURBS曲线两种不同的方法，沿着船长部分的位置被定义。在横截面上，四个关键点的坐标对滑行船舶形状的定义起着重要的作用。所以，考虑到这些点，截面曲线可以用三种不同的模型产生的；抛物型线形，椭圆线形和NURBS曲线。最终，就可以产生合理的横截面，合理的表面和固体模型。

下面的章节安排如下。在第二节中描述了方法的细节和模型的定义。控制方程的定义在第三节。所产生的各种模型的结果在第四节中讨论。主要几何参数和子参数的影响在滑行艇船体型线处说明。最后，在第五节，得出结论。

  1. 方法论

2.1背景

有隧道船最简单的船体外形如图二所示。有隧道船的主体由三部分组成。第一部分为水动力升力的中心部分。这部分的前面已被弯曲，以分配在航速不断增长的期间气水混合物所带来的压力。在船体底部产生适度的压力可以防止颠动不稳定。第二部分是滑行艇，它通过空气和破波的限制来产生水动力和空气升力。第三部分是隧道外侧的刚性挡板。它的作用是禁锢空气、防止空气泄露，并不断破浪前行。

很明显，通过加入水动力船体元素的形式，或增加隧道的数量可以得到更好的性能的船只。图三所示两个可行的船只。

船型优化设计是其中一个最重要的问题，通过改变船体形状和水动力迭代分析是可行的。不幸的是，这需要大量的时间。因此，发展一个快速的方法来自动生成和修改船型是必不可少的。在下面，将对基本的几何水动力参数和我们的创新一代方法进行说明。

2.2.模型描述

在目前的方法中，隧道船的船型分为两个主要部分，如图四所示。这两个部分，被认为在流体力学自主行为中拥有最大影响，被定义为：

  1. 棱柱体：在这一部分中，主要参数是棱柱体的宽度，在每个横截面的斜升角，和纵向变化曲线。
  2. 隧道：隧道最重要的参数是隧道的高度，隧道的宽度，以及它们的纵向变化。一个显著影响隧道的额外因素是它的横截面形状。这意味着截面形状可以通过控制点三的横向运动来改变。

这些参数如图5所示，并在表一的1到4行中有所介绍。在这种类型的船舶中，船体总宽度通常变化不大，因此假定为恒定值。因此，棱柱形的宽度和隧道部分的总和是恒定的，等于船舶的总宽度。隧道部分在每个横截面的高度和宽度可能会随长度变化而变化。其结果是，隧道的横截面形状可以在不同的形状如圆、椭圆、抛物线等之间不断的来回变换。此外，隧道的宽度和高度的变化也会引起隧道横截面的扭曲、收缩或增大。减小或增大斜升角会改变棱柱体部分的形状，导致改变水动力升力。

在此配置中，每个所提到的参数在最佳状态时被计算，有隧道船最后被设计。因此，影响设计的主要参数包括：斜升角，棱柱体宽度、隧道断面形状（圆、椭圆、抛物线等）。每个横截面的隧道宽度和高度应当确定。

最好的加入横截面的体积创建的光顺的方法是去定义基于船长的这些参数的连续变化。因此，为了产生一个平滑的体积，每个参数的纵向函数应指定。

四条不同的线是区别于有两条隧道的船型的半体的，如图6和7。1号线是船体和棱柱体部分的对称轴。2号线是棱柱体部分和隧道部分的边界。3号线与4号线分别为隧道的最大高度位置和隧道与船体的侧向边界。这四条线在每个横截面上给出四个关键点，可作为给定截面形式的创造点。作为一个例子，图5显示了在一个横截面上的四个点。在这个图中可以看到，棱柱形部分是由点1和2之间的直线连接形成的。通过连接点2、3和4确定了隧道。横截面的形式取决于四个点的位置，一个点的位置的任何变化都可能改变截面形式。实际上：

  1. 当棱柱体部分的高度变化时，斜升角也会变化。
  2. 由于容器的宽度是恒定的，棱柱体部分和隧道之间的宽度的划分是通过改变点2的宽度来实现的。
  3. 点2、3、4的相对位移改变了隧道的横截面形式。
  4. 其中最重要的船型特点是点3。如果点3向左或向右移动，会导致隧道内循环流的产生。
  5. 这些变化可以应用于每个横截面。通过对相邻截面的点的相对位移，对上述各参数的纵向曲线进行控制。

2.3.模型参数的定义

本文所提出的方法是基于前面提到的四条线的使用，今后作为指导方针，如图6和7所示。如果我们通过长度位置函数（X）来定义这些准则，四个点的坐标将在每个横截面（给定的X值）指定。

然后，横截面是通过连接这些点和由加入所产生部分而获得的船体三维模型来创造的。

1号线是棱柱体部分和船体的对称轴（中心线）。指导线的高度仅仅沿着船长Z1frac14;Z（x）方向变化，它的横向位置固定为Y1frac14;0。2号线是棱柱体部分和隧道的侧线。它连接这两个部分。这个指导线的高度和横向位置沿着船长方向（Z2frac14;Z（x），Y2frac14;y（x））改变。指导线3是隧道的中线。这条指导线的高度和横向位置也沿着船长方向（Z3frac14;Z（x），Y3frac14;y（x））而改变，并且隧道的最大高度和这条指导线有关。指导线4是船体和隧道的侧线。本指导线的高度只沿着船长方向Z4frac14;Z（x）而变化，并且它的横向位置固定在Y4frac14;B / 2。

控制了这四条指导线，所有在前面的章节中提及的参数可以调整如下：

  1. 船宽=指导线1和4之间的横向距离的两倍。
  2. 隧道宽度= 每个横截面上指导线4和2的横向距离。
  3. 棱柱部分宽度=每个横截面上指导线1和2的横向距离。
  4. 斜升角=指导线1和2在每个横截面上高度差和宽度差的比值。
  5. 隧道高度=指导线1和3在每个横截面上的高度差。
  6. 隧道的横截面形式=在每个横截面上指导线2、3、4上三个点通过任意曲线（NURBS，椭圆或抛物线）的连接。
  7. 隧道纵断面=纵向指导线2、3和4的曲线（二次、三次多项式函数或NURBS）的整合。
  8. 棱柱部分的纵剖面=纵向指导线1和2的曲线（二次、三次多项式函数或NURBS）的一个整合。

因此，使用定义的四条指导线，所有的船型参数可以被确定，并且指导线（曲线）的一个变化影响着船型参数的价值。这种方法的一个显着的优点是沿船长方向的变化的连续性。它也保证了制作的三维模型的表面光滑。

控制参数作为输入值去准备、调整和修改四条指导线。船体的总长度、宽度和高度（表1中的5-7行）被认为是用户的第一输入值。最大的棱柱体宽度（第8行），在船尾产生，被假定为另一个输入数据。后来，基于表1中所给数据定义了指导线的参数。指导线的开头和结束点的高度（在表1中的9 – 14行）被定义在纵向位置（X）以获得指导线方程的常数系数。

由于指导线1和2的交点在船艏，它们有相同的起点。在指导线2和4之间的指导线3的宽度基于它对指导线2的邻近距离（表1第23行）被定义。指导线4和1是高度的函数，而指导线2和3是高度和宽度的函数。考虑到船型的类型，所有沿着指导线的变化都发生在船艏大约三分之一到二分之一船长，然而在船尾的变化率却很小，几近于零。因此，指导线的船体的平行部分被定义为船长的一些百分比（表1中的19-22行）。

  1. 控制方程

在本文中，采用两种不同的方法来描述四条指导线。在第一种方法中，一个二阶多项式用来定义指导线（除了三分之一阶多项式是因为隆起的变化而使用的指导线3）。在另一个方法，NURBS曲线的关系用来定义指导线。三种不同的模型已被用来描述每个横截面的指导线上的四个点。三种不同的曲线（抛物线、椭圆和NURBS曲线）是用于定义点2、3、4之间的隧道形式。在所有三个模型中，棱柱体是由点1点2在每个部分直接连接（直线）而成（如图4）。如何定义这三种不同的模型的总结在表2中阐述。

为了生成模型1和2，四条指导线被定义为二次曲线。这些指导线的每一个宽度和高度的函数都由长度位置（times;）定义。为了确定每条指导线的二次方程的常系数，三个边界条件是必要的，以确定每条指导线的函数。这些条件的获得是基于每条指导线的作为输入数据的终点。这些参数的索引和值在表1，第9-14行给出。

在船舶尾部，大部分的滑行艇的船体形式都有一个统一的横截面，指导线的变化也应该是在某些部分的长度从船后不变。为了覆盖这个目的，假设一些系数是相等的，它们的定义、索引和值可以在表1中的第19-22行中观察到。这些系数用在指导线的边界条件的定义。为了简化输入参数，指导线3的横向位置基于指导线2的收盘比例系数被定义，如表1中的第23行。

这些指导线是由第一和第二模型中的多项式函数来描述的。为了最大限度地减少输入参数，因为高阶多项式的影响可以忽略不计，指导线（2，1，4）被定义为平方多项式方程。龙骨、脊骨和侧边指导线（2，1，4）一般可以用一个平方多项式函数来表示，作为以下公式：

这三条指导线的凹型是是沿着船长方向不变的，但是指导线3的凹型会沿着船长方向改变，因此它是由一个三次多项式函数定义的，如式（2）：

Zi和Yi是指导线i的高度和宽度。这两个参数基于长度（X）和由施加边界条件获得的恒定值(Cj, Bj)而定义。

指导线函数如下所述：

指导线1的定义

这条指导线定义在船体的中心线，坐标系的原点位于船尾。船艏和船尾首先需要一些边界条件。因为指导线的尾部有最低高度，船尾高度设置为0。在船舶前部，是基于起始点（D11）输入高度而被定义。指导线的高度的一般方程和和它们的边界条件如下：

边界条件：

表2

三种不同模型所用的条件。

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模型

指导线定义类型

棱柱体定义类型

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