Shipflow软件的快速建模方法研究.doc

SHIPFLOW软件的快速建模方法研究1. 引言SHIPFLOW是由瑞典SSPA公司和Chalmers科技大学联合开发的一款性能优越的船舶流体力学分析专用软件，适于民船和军船的各种水动力特性研究。软件计算需要一个格式固定，并且足够精确的船型数据文件（Offset）。这是因为软件对导入的Offset 文件中的数据点默认为折线连接，需要进行光顺处理。以往通常使用Rhino等3D造型软件建立船体表面，然后再导入SHIPFLOW软件中截取型线，生成Offset文件，操作过程复杂并且耗时。本文提出了一种通过Fortran程序实现的快速建模方法，该方法可以根据标准型值表直接拟合型线，通过接口格式生成Offset文件，大大提高了建模速度，并且文章通过实例计算验证了此种建模方法具有高精度。2. SHIPFLOW常用建模方法通常，在已知船体标准型值表的情况下，建立可供软件分析计算使用的精确Offset文件有如下两种方法。2.1 使用3D造型软件建模后导入SHIPFLOWSHIPFLOW软件支持多种文件接口格式，如IGES、DFX等。船体建模时一般首先使用Rhino或3dmax依据标准型值表对船体表面进行造型，生成片体的IGES文件或是使用NURBS光顺后的型线。SHIPFLOW导入曲面文件后在纵向由YOZ平面截取适当数目的型线（一般50-150条），再将型线制成Offset文件，建模完成。使用这种方法生成的Offset文件足够精确，型线光顺。不足之处在于，Rhino等3D建模软件虽然通用性良好，但是并非专门针对船体建模开发，因此建立船舶外形的过程操作复杂，并且十分耗时，而且如果需要对船体型线进行部分修改，就必须要重复上述建模过程。此外， SHIPFLOW还可以直接读入由NAPA软件建模后导出的船体Offset文件。此种方法虽然省去了将船型数据转换为可供SHIPFLOW使用的Offset文件的过程，但是需要NAPA的支持，并且要求计算分析人员能够使用NAPA对船体建模，具有局限性，具体的操作过程复杂费时。2.2 直接在SHIPFLOW界面中建立船体模型SHIPFLOW软件中提供了多种创建点和曲线曲面的方法。曲线类型包括Line、Circle、Bspline、NURBS等，曲面包括Bspline、NURBS、Ruled Surface、Lofted Surface等。可以将型值表中的型值点输入，得到船体表面后使用软件自带的功能可以在纵向的任意位置截取型线，对数据进行处理后导出，生成Offset文件。这种方法建立Offset文件的精度在理论上最高，但是过程也最耗时。3. 改进型快速建模方法应用非均匀有理B样条曲线的相关理论，结合上述各种方法的优点，并且注意到SHIPFLOW软件的接口文件格式，本文提出一个快速建模方法。该方法首先将每条水线分别沿纵向用B样条曲线进行拟合，再在需要的位置进行插值。然后在不同水线的同一纵向插值位置用B样条曲线拟合成纵剖线，最后一步沿纵剖线插值，将数据排列成SHIPFLOW软件要求的Offset文件，整个拟合程序使用Fortran语言编写，可以应用于不同船型，大大加快了建模速度。特别是在概念设计阶段，由于船型要不断修改，本方法可以通过改动型值文本数据直接生成新船型并进行相关计算，省去了以往复杂的建模工序，大大提高了设计效率。3.1 船体型线拟合方法快速建模方法的关键环节就是船体型线拟合程序的编制。本文选用非均匀有理B 样条NURBS拟合型线，该型样条可以精确的描述曲线，在 ISO标准中，该方法是定义几何形状的唯一数学方法。一条NURBS曲线可以表示为如下形式： （3.1） （3.2）其中为B样条基函数，按照de-Boor-Cox递推公式计算： （3.3）一条空间曲线方程还可以用参数方程定义： （3.4）故有理由将一根NURBS曲线转化为三根三次样条曲线。参数的选取参照AutoCAD中的相关理论，采用累加弦长法，即： （3.5）本文程序便选用此种方法，计算时还需要补充的两个边界条件，我们选取工业上常用的自由端边界条件，即两端曲率为0。3.2 快速建模方法流程SHIPFLOW中实现Fortran编程实现建模完成对首尾部进行曲面拟合处理并截取型线，生成更新后的Offset文件。SHIPFLOW导入船体建模程序生成的Offset文件将型值点排列成SHIPFLOW支持的Offset文件后导出数据在不同水线的同一插值位置拟合纵剖线沿纵剖线插值（一般等间距选取30点左右）沿水线插值（一般等间距选取100点右）在每一水线拟合NURBS曲线导入标准型值表使用此种方法建模，我们只需要一个标准型值表，然后对首尾部进行部分调整。建立一艘同类型的新船模型，或者是对已经建成的模型尺度进行调整，设计者一般最多只要十分钟即可完成全部过程，对于设计阶段需要反复修改船型并且反复计算时，这种建模方法非常适用。4. 模型精度校验为确定此种建模方法是否具有高精度，我们需要进行模型精度校验，具体的做法是选定同一型值表，分别用Rhino软件和本文提出的快速建模程序进行建模，然后导入SHIPFLOW中进行静水力和阻力特性计算。进行静水力计算时以所选船型的静水力参数为标准，进行阻力特性计算时，以Rhino模型的计算结果为标准，分别对比验证本文模型精度。本文选用一艘70m长散货船作为计算模型，主要静水力参数如下表所示：表4.1 模型主要静水力参数方形系数0.704水线面面积系数0.832浮心纵向位置-0.426m排水量2858t 图4.1和图4.2分别为Rhino软件和本文程序建立的供SHIPFLOW计算的船体模型。Rhino建立的为曲面模型，需要在SHIPFLOW程序中截取型值，本文建立的模型格式为Offset文件，导入后可以直接计算，首尾不透明部分是用SHIPFLOW中曲面拟合的结果，目的是提高模型精度。 图4.1 Rhino模型 图4.1中左图为Rhino界面，右图为模型在SHIPFLOW中的显示。图4.2 本文方法建立模型4.1 静水力计算结果对比表4.2 静水力计算结果误差对比计算项目本文程序模型Rhino模型原始数据结果排水量结果2846.6t2780.3t2858t误差0.40%2.71%方形系数结果0.7040.6930.704误差01.56%水线面面积系数结果0.8400.8380.832误差0.96%0.72%浮心纵向位置结果-0.386-0.472-0.426误差0.06%0.07%从表中结果对比可以看出，应用本文提出的快速建模方法建立的模型精度优于Rhino建立的模型，各项静水力结果的误差都控制在1%以下。这是因为Rhino建模需要由曲线生成曲面，然后再由SHIPFLOW从曲面截取曲线的型值，这一过程产生了误差。而本文提出的快速建模方法直接拟合船体型线，并提取数据生成Offset文件，省去了生成曲面过程，因此避免此类误差积累。4.2 阻力特性计算结果对比本节分别计算了两个模型的在不同航速下的兴波阻力和粘性阻力系数，进行结果分析时以Rhino建立的模型为标准，分析误差。计算航速范围选取傅汝德数Fn=0.2-0.28，步长0.02，雷诺数Rn=5e6，线性自由面条件。使用SHIPFLOW边界层理论计算得到的粘性阻力系数受航速影响较小，所以，选取Fn=0.25，Rn=5e6， 计算得到Rhino模型的粘性阻力系数Cf=0.003662，本文程序建立模型的粘性阻力系数Cf=0.003667，误差极小。兴波阻力系数对比见图4.3。图4.3不同Fn时的兴波阻力系数由图中曲线可以看出两种模型的阻力系数差别不大，特别是在额定航速附近，即Fn=0.26时，结果基本一致，具体数据见表4.3。表4.3 兴波阻力系数计算结果对比Fn本文程序模型Rhino模型误差0.20.0006042740.0007112340.000106960.220.0008366420.0009318490.0000952070.240.00109380.001267890.000174090.260.002076380.001991750.000084630.280.00518490.004689420.00049548 根据SHIPFLOW静水力和阻力特性计算结果分析可知本文提出的快速建模方法在大大提高建模速度的同时还保证了模型具有更高的精度，完全满足工程计算的要求。5. 结论 本文应用NURBS理论，结合SHIPFL