基于SINOVATION的釣魚艇上層建筑快速建模方法

黃雪,于利民,王凱

(山東交通學(xué)院船舶與輪機工程學(xué)院,山東濟南 250357)

國民經(jīng)濟的不斷增長促使游艇產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，尤其在國家“一帶一路”政策及山東省實施“新舊動能轉(zhuǎn)換重大工程”戰(zhàn)略背景下，游艇產(chǎn)業(yè)得到國家和地方政府的大力扶持，未來游艇經(jīng)濟重心的轉(zhuǎn)移趨勢將會非常明顯[1-4]。然而在我國游艇產(chǎn)業(yè)如此蓬勃發(fā)展的態(tài)勢下，卻面臨著巨大的游艇設(shè)計技術(shù)難題——如何利用參數(shù)化進行設(shè)計，減少設(shè)計人員的工作量，提高設(shè)計效率，成為整個行業(yè)積極探索的目標(biāo)，也是目前亟需解決的問題。傳統(tǒng)的游艇上層建筑建模需依靠總布置圖進行，這種建模方式耗時耗力，與目前快速發(fā)展的游艇產(chǎn)業(yè)極不相符。鑒于此，諸多專家學(xué)者致力于開發(fā)能夠針對游艇上層建筑特點的快速建模軟件。文獻[5]提出依托于PRO/E軟件，將其進行二次開發(fā)設(shè)計出游艇上層建筑造型設(shè)計的模塊；文獻[6]利用CATIA軟件對小型游艇造型進行參數(shù)化設(shè)計；文獻[7]等首次闡述了利用NURBS曲線對大型游艇上層建筑進行參數(shù)化設(shè)計。本文基于SINOVATION軟件，采用參數(shù)化設(shè)計，研發(fā)一套釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)，實現(xiàn)釣魚艇上層建筑的快速建模。

1 曲線曲面的特點及表達方法

近年來，雖然船體曲線曲面的參數(shù)化已取得一定進展，但業(yè)內(nèi)對于游艇上層建筑曲線曲面的表達還需要進一步的研究[8-10]。釣魚艇上層建筑多為自由型曲線曲面，因其不可展開性，難以簡單的使用一個或幾個數(shù)學(xué)解析公式表達，即使可以實現(xiàn)，也會相當(dāng)?shù)幕靵y。自1974年提出計算機輔助幾何設(shè)計以來，船體曲線曲面的表達方法得到迅猛發(fā)展，從貝齊爾曲線曲面，到B樣條曲線曲面，再到孔斯曲面，直至現(xiàn)在定義產(chǎn)品形狀的唯一數(shù)學(xué)表達方法的NURBS曲線曲面，歷經(jīng)了十余載的時光，且逐漸被應(yīng)用到船舶、航空、機械、汽車等領(lǐng)域[11-15]。

NURBS方法是一個強大的可以將自由型曲線曲面和解析幾何曲線曲面相統(tǒng)一的計算機輔助幾何設(shè)計技術(shù)，它不僅能夠精確的表達各種曲線曲面的形狀，且能使曲線曲面圓滑過渡，實現(xiàn)工程設(shè)計的需要。本文采用NURBS方法表達釣魚艇上層建筑曲線曲面。

通過大量對比研究，釣魚艇主甲板上層建筑線型外觀形狀造型如圖1、2所示。

圖1 釣魚艇上層建筑區(qū)域劃分 圖2 釣魚艇上層建筑平面示意圖

如圖1所示，釣魚艇上層建筑曲線曲面可分為3部分：駕駛室前壁區(qū)、前端壁后傾區(qū)以及駕駛區(qū)?，F(xiàn)以釣魚艇上層建筑駕駛室前壁區(qū)曲線為例，論述其上層建筑造型曲線的NURBS表達方法，其他兩部分曲線同理之。

如圖2所示，將釣魚艇上層建筑各關(guān)鍵點編號。P1-1P1-2P1-5P1-3P1-4圍成釣魚艇上層建筑前端壁區(qū)甲板平面線型，其中，P1-2P1-5P1-3構(gòu)成曲線ρ，其余線型為直線。P1-2P1-6與曲線ρ相切于P1-2點，P1-3P1-6與曲線ρ相切于P1-3點，兩切線相交于P1-6點，則可知P1-2、P1-6、P1-3為曲線ρ控制頂點。設(shè)P1-2、P1-6、P1-3三點空間坐標(biāo)分別為P1-2(x1，y1，z1)、P1-6(x2，y2，z2)、P1-3(x3，y3，z3)，依線型特點可知此曲線為二次曲線弧，則曲線ρ的二次NURBS參數(shù)方程

(1)

式中：N=(1-t)2ω1+2t(1-t)2ω2+t2ω3為遞推公式中的一項；t為定義NURBS曲線參數(shù)方程式中的變量，t=0～1；ωi(i=1，2，3)為加權(quán)系數(shù)，在使用中可自行賦值，它對曲線有更強的控制能力。

將釣魚艇上層建筑線型賦予式(1)表達后，即可由點生線，再利用蒙皮法由線生成面，最終生成釣魚艇上層建筑結(jié)構(gòu)。

2 分層次建模方法

傳統(tǒng)的釣魚艇上層建筑建模方法只能依據(jù)總布置圖進行，將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維圖形的過程中，復(fù)雜區(qū)域處理起來較為困難，效果不理想，且建模過程耗時耗力，不能滿足當(dāng)前飛速發(fā)展的游艇市場要求。

由圖2可見，釣魚艇上層建筑好似由幾段造型疊加而成。其曲面沿高度方向的分布是具有層次感的構(gòu)造，可嘗試采取獨立的建模方式。經(jīng)過不斷探索與實踐，本文采取一套適用于釣魚艇上層建筑造型的建模方法，即分層次建模方法。它將釣魚艇完整的上層建筑造型“化整為零”“化繁為簡”，將各個連續(xù)曲面進行拆分逐一進行建模，最終完成釣魚艇上層建筑整體建模工作。將完整的釣魚艇上層建筑拆分成3部分，按照總布置圖與計算機輔助幾何設(shè)計捕捉曲線信息，獲取3部分關(guān)鍵點坐標(biāo)，經(jīng)過一系列公式轉(zhuǎn)換，在建模系統(tǒng)界面輸入關(guān)鍵參數(shù)，即可建立完整的釣魚艇上層建筑曲線曲面。

3 快速建模系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

圖3 參數(shù)化設(shè)計流程圖

3.1 設(shè)計綜述

本設(shè)計主要依托SINOVATION軟件平臺，利用其具有的ADK(Application Development Kit應(yīng)用開發(fā)工具包)二次開發(fā)功能，采用Visual Basic 和C++語言編程，實現(xiàn)釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)的研發(fā)。本設(shè)計將釣魚艇上層建筑艇艏曲線類型分為3部分：半圓形、橢圓形和自由曲線型。在使用過程中可根據(jù)艇艏線型的不同進行選擇。

程序編制流程如圖3所示。

3.2 設(shè)計參數(shù)

參數(shù)的合理設(shè)置，不僅使快速建模系統(tǒng)的研發(fā)簡單快捷，而且會減少后臺系統(tǒng)錯誤的發(fā)生概率[16-19]。設(shè)計參數(shù)的確定原則是用最少的參數(shù)精準(zhǔn)的表達釣魚艇上層建筑的形狀。

1)主要參數(shù)選擇

①縱向。如圖4所示，釣魚艇上層建筑總長L為參數(shù)化的主要參數(shù)之一；為了更好的控制游艇上層建筑形狀，引入駕駛室長度L1、甲板直線長度L2兩個參數(shù)。

②垂向。釣魚艇上層建筑總高度H。為實現(xiàn)“分層次”建造方法在快速建模系統(tǒng)上的研發(fā)，在高度上引入駕駛室前壁區(qū)高度H1的概念，設(shè)輔助參數(shù)H2，且H2=H-H1。

③橫向。釣魚艇上層建筑或甲板室寬度為B。

④相關(guān)夾角。前端壁后傾角α、前窗后傾角β。

2)坐標(biāo)系的選擇

為建模方便，本文直接進行釣魚艇上層建筑模型的建模工作，后續(xù)采用裝配的方式與釣魚艇艇體相配合。故本文建模系統(tǒng)做如下規(guī)定：以釣魚艇上層建筑尾部中線面與釣魚艇上層建筑甲板面相交點作為坐標(biāo)原點O，沿著船長的方向為縱向x軸，船首方向為正；沿著高度方向為垂向z軸，向上為正；沿著船寬方向為橫向y軸，左舷為正[20]，如圖5所示。

圖4 釣魚艇上層建筑設(shè)計參數(shù)示意圖 圖5 釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)坐標(biāo)定義

3.3 曲線曲面的表達與參數(shù)化設(shè)置

分層次建模方法將釣魚艇上層建筑模型分為3部分，在建模過程中主要有4個層面，而每一層面有5個關(guān)鍵點，如圖6所示。參數(shù)化后每個關(guān)鍵點參數(shù)坐標(biāo)為：

1)第一層。P1-1(0，B/2，0)、P1-2(L2，B/2，0)、P1-3(L2、-B/2，0)、P1-4(0，-B/2，0)、P1-5(L，0，0)。

2)第二層。P2-1(0，B/2，H1)、P2-2(L2，B/2，H1)、P2-3(L2，-B/2，H1)、P2-4(0，-B/2，H1)、P2-5(L，0，H1)。

3)第三層。P3-1(0，B/2，H1+(L-L1)tan α)、P3-2(L1+L2-L，B/2，H1+(L-L1)tan α)、P3-3(L1+L2-L，-B/2，H1+(L-L1)tan α)、P3-4(0，-B/2，H1+(L-L1)tanα)、P3-5(L1，0，H1+(L-L1)tanα)。

4)第四層。P4-1(0，B/2，H)、P4-2((L1-(H-(H1+(L-L1)tanα))/tanβ)-(L-L2)，B/2，H)、P4-3((L1-(H-(H1+(L-L1)tanα))/tanβ)-(L-L2)，-B/2，H)、P4-4(0，-B/2，H)、P4-5((L1-(H-(H1+(L-L1)tanα))/tanβ)，0，H)。

3.4 快速建模系統(tǒng)的設(shè)計

圖6 釣魚艇上層建筑四層框架設(shè)計

采用分層次建模方法，則釣魚艇上層建筑命令功能開發(fā)設(shè)計的步驟為：首先進行4個層次框架的設(shè)計；其次進行前擋風(fēng)玻璃的設(shè)計；再進行兩側(cè)玻璃與后門的設(shè)計；最后進行尾板及頂蓋的設(shè)計。

3.5 快速建模系統(tǒng)的實現(xiàn)

本程序主要設(shè)計代碼如下：

idConnectSurfaceA.Append(idSurfaceM1A);

CIDENTArrayidSurfaceM2A;

idLine1A.SetAt(0,idLH1314);

idLine1A.SetAt(1,idLH2324);

idLine2A.SetAt(0,idLV1323);

idLine2A.SetAt(1,idLV1424);

bStatus = CDataTypeUtility::ToEntity(entLine1A,idLine1A);

bStatus = CDataTypeUtility::ToEntity(entLine2A,idLine2A);

primary.SetDirectionLines(entLine1A);

seccondary.SetDirectionLines(entLine2A);

bStatus = CSurfaceUtility::CreateMeshSurface(idSurfaceM2A,primary,false,seccondary,true);

idConnectSurfaceA.Append(idSurfaceM2A)

4 快速建模系統(tǒng)測試

4.1 可用性及實用性測試

通過多次多組參數(shù)測試，結(jié)合游艇美學(xué)以及釣魚艇上層建筑實用性等在內(nèi)諸多因素的影響，系統(tǒng)快速創(chuàng)建出一艘美觀與使用功能兼?zhèn)涞尼烎~艇上層建筑模型。

釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)測試參數(shù)操作界面如圖7所示，在SINOVATION軟件釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)操作界面中將艇艏類型選框下拉更改為自由曲線形式，并輸入上層建筑各項參數(shù)。點擊是否生成尾板和頂蓋按鈕，創(chuàng)建釣魚艇上層建筑模型，并加以美化，生成如圖8所示上層建筑模型。再將其模型與相應(yīng)船體相配合，組成完整的釣魚艇模型，如圖9所示。

圖7 系統(tǒng)測試參數(shù)操作界面 圖8 系統(tǒng)測試模型 圖9 深V型釣魚艇模型

4.2 準(zhǔn)確性測試

以某艘釣魚艇為例，進行建模準(zhǔn)確性測試。在SINOVATION軟件釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)操作界面中將艇艏類型更改為自由曲線形式，輸入測量參數(shù)如表1所示。

表1 釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)測試參數(shù)

將生成的釣魚艇上層建筑模型進行美化和渲染，并與其船體裝配，得到最終模型如圖10所示。其與如圖11所示整體建模的釣魚艇相比相差無幾。證明系統(tǒng)符合建模需求，準(zhǔn)確性高，可用性強。

圖10 分層建模生成的模型 圖11 整體建模的釣魚艇模型

測試結(jié)果證明，本快速建模系統(tǒng)符合使用需求，設(shè)計出的釣魚艇上層建筑結(jié)構(gòu)符合功能需要及美學(xué)規(guī)律，并可對現(xiàn)有釣魚艇上層建筑進行準(zhǔn)確快速地建模，應(yīng)用性強，可投入到釣魚艇上層建筑生產(chǎn)設(shè)計及研發(fā)工作中，增強企業(yè)競爭力。

5 結(jié)語

基于SINOVATION軟件，采用分層次建模方法，利用二次NURBS曲線表達釣魚艇上層建筑艏部自由曲線，精簡設(shè)計參數(shù)，合理設(shè)置關(guān)鍵點，并將關(guān)鍵點坐標(biāo)進行參數(shù)化轉(zhuǎn)換，采用Visual Basic和C++語言編程，創(chuàng)建釣魚艇上層建筑快速建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大的縮短了釣魚艇上層建筑建模的創(chuàng)建時間，不僅可進行釣魚艇上層建筑外觀造型設(shè)計，也可完成既有船型的快速建模，系統(tǒng)可用性強，可應(yīng)用于釣魚艇的生產(chǎn)設(shè)計與研發(fā)工作。