基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法及系统技术方案

本公开公开了基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法及系统，读取船舶的型值点；根据各水线上的型值点，反算水线的三次B样条表达式；基于水线的三次B样条表达式，计算船体外形的广义截面曲线；确定波浪的类型及波面的表达式，根据波浪的类型及波面的表达式，寻找广义截面曲线与瞬时波面的交点，进而获得波浪中船体湿表面网格；基于波浪中船体湿表面网格，预测波浪中船舶所受到的水动力。

Prediction Method and System of Ship Hydrodynamics Based on Wet Surface Mesh of Ship Hull in Wave

【技术实现步骤摘要】
基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法及系统
本公开涉及船舶工程及海洋工程
，特别是涉及基于波浪中船体湿表面网格的划分及船舶水动力的预测。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。在实现本公开的过程中，专利技术人发现现有技术中存在以下技术问题：船舶设计过程中常采用面元法预测船舶的水动力学性能。船体湿表面网格的划分是面元法计算的第一步。一套划分合理的网格不仅影响到计算结果的精度，有时甚至直接关系到计算的成败。目前，船体湿表面面元划分的方法主要有两类。第一类方法是采用现有的计算机辅助设计软件预先建立船体表面的几何模型，而后通过对该模型进行离散获得船体表面网格。这一类方法优点在于能够比较直观得获得网格在船体表面的分布情况，但缺点是建立船体表面几何模型的工作往往费时费力，而且获得的网格数据仅能通过有限的几种数据格式输出，在应用时会有较大的局限性。第二类方法采用样条函数(通常是B样条或非均匀有理B样条)拟合船体的表面。这类方法能够比较灵活地建立船体表面的数学模型，便于输出船体网格数据以供后续的计算程序使用。但目前相关研究中存在两个普遍的问题，第一是采用样条函数拟合船体表面之前需要对船体的型值点进行预处理(例如船体表面曲面片的划分、型值点的加密等)，这一过程往往是繁琐的；另一个问题目前报道的方法往往只针对静水条件，即船舶的湿表面积是恒定的。对于波浪中瞬时变化的船舶湿表面，应用现有的方法往往难以给出理想的网格划分情况。现有技术需要解决的技术问题是，如何对船体湿表面网格进行划分，进而实现船舶水动力学性能预测。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法及系统。该方法基于样条函数实现，能够根据已知的船舶型值点对波浪中瞬时变化的船舶湿表面直接进行网格划分，不需要对船体的型值点进行预处理。利用生成的湿表面网格，可以进行船舶水动力的预测。第一方面，本公开提供了基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法；基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法，包括：读取船舶的型值点；根据各水线上的型值点，反算水线的三次B样条表达式；基于水线的三次B样条表达式，计算船体外形的广义截面曲线；确定波浪的类型及波面的表达式，根据波浪的类型及波面的表达式，寻找广义截面曲线与瞬时波面的交点，进而获得波浪中船体湿表面网格；基于波浪中船体湿表面网格，预测波浪中船舶所受到的水动力。第二方面，本公开还提供了基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测系统；基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测系统，包括：型值点读取模块，其被配置为：读取船舶的型值点；反算模块，其被配置为：根据各水线上的型值点，反算水线的三次B样条表达式；广义截面曲线计算模块，其被配置为：基于水线的三次B样条表达式，计算船体外形的广义截面曲线；波浪中船体湿表面网格获取模块，其被配置为：确定波浪的类型及波面的表达式，根据波浪的类型及波面的表达式，寻找广义截面曲线与瞬时波面的交点，进而获得波浪中船体湿表面网格；水动力预测模块，其被配置为：基于波浪中船体湿表面网格，预测波浪中船舶所受到的水动力。第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述方法的步骤。第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述方法的步骤。与现有技术相比，本公开的有益效果是：能够直接根据已知的船舶型值点进行船体建模，不需要对船体的型值点进行预处理，并且能够对波浪中瞬时变化的船舶湿表面进行网格划分。利用生成的湿表面网格，可以进行船舶水动力的预测。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是型值点示意图，图中白色空心圆圈表示已知的型值点；图2是由型值点建立各条水线的三次B样条曲线；图3是将各条水线按等参数分割，获得离散得数据点图。图中黑色圆点表示将水线等参数分割后得到的分割点，以及人为增加的截面曲线零点；图4是根据图3中的数据点反算的广义截面曲线示意图；图5是截断于瞬时波面的船体湿表面截面曲线示意图；图6是将瞬时湿表面下的截面曲线按参数等分，最终获得瞬时湿表面下的船体表面网格图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。专业术语介绍：参数化曲线：曲线上的点的每个坐标分量均被表示为一个独立参数的显函数，其形式为这里的u即为所谓的参数。典型的参数曲线例如在第一象限内的圆弧，可以采用参数形式表达：又如，空间中的A、B两条，假定其坐标分别为(Xa，Ya)及(Xb，Yb)，则在AB连线上的任意一点C的坐标(Xc，Yc)可以用参数u表示：这里的参数u是C点到A点的距离与B点到A点距离的比值。当u＝0时，A＝C；当u＝1时，C＝B。线段AB上的任意一点都有唯一的参数与之对应。三次B样条曲线：B样条曲线是以分段多项式形式表示的参数曲线。P次B样条曲线的定义为：其中，p为曲线的次数，为控制顶点列，是定义在非均匀节点矢量(共包含m+1个节点，m和n的关系满足n＝m-p-1)上的p次B样条基函数：B样条曲线由控制顶点和节点矢量共同确定。且曲线上的每一点都有唯一的参数u与之对应。这里的参数u可以采用多种方式，典型的，例如，可将参数u视为曲线上的点到曲线起点的弧长。不同的参数化方法，会产生不同的曲线造型。本专利技术中提到的“无因此的累计弦长参数化”方法，实际上就是针对船舶的外形特点解决参数化的问题。B样条曲线的正算与反算：B样条曲线的正算是指已知B样条曲线的控制顶点及节点矢量，求曲线上各点的坐标。反算则是指已知空间内若干点的坐标，求通过这些点的B样条表达式，包括求控制顶点的和节点矢量两个部分。船体型值表：船体的外形尺寸常以其“型表面”上一些特定位置处各点的坐标值来表示，这些坐标值称为型值。型值表是记录型线图上各型线交点型值的一种表格，它由高度值(距离基线的高度)和半宽值(距中线面的距离)组成。水线：是指与水平面相平行的平面与船体型表面的截交线。等参数分割：B样条曲线作为参数曲线，其上面的点有唯一的参数与之对应。对本方法而言，所使用的曲线都采用标准化参数区间(即[0,1]区间，参数0对应曲线的起点，参数1对应曲线的终点)。等参数分割即将[0,1]区间按等间隔进行划分，并得到的参数值带入曲线表达式，获得曲线上对应的各点。瞬时波面：波浪的波面是随时间变化的。这里的瞬时表面，指的是任意时刻波面的形状。瞬时湿表面：由于波浪是随时变化的，船舶在波浪中航行时，其湿表面(即在波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法，其特征是，包括：读取船舶的型值点；根据各水线上的型值点，反算水线的三次B样条表达式；基于水线的三次B样条表达式，计算船体外形的广义截面曲线；确定波浪的类型及波面的表达式，根据波浪的类型及波面的表达式，寻找广义截面曲线与瞬时波面的交点，进而获得波浪中船体湿表面网格；基于波浪中船体湿表面网格，预测波浪中船舶所受到的水动力。

【技术特征摘要】
1.基于波浪中船体湿表面网格的船舶水动力预测方法，其特征是，包括：读取船舶的型值点；根据各水线上的型值点，反算水线的三次B样条表达式；基于水线的三次B样条表达式，计算船体外形的广义截面曲线；确定波浪的类型及波面的表达式，根据波浪的类型及波面的表达式，寻找广义截面曲线与瞬时波面的交点，进而获得波浪中船体湿表面网格；基于波浪中船体湿表面网格，预测波浪中船舶所受到的水动力。2.如权利要求1所述的方法，其特征是，读取船舶的型值点，首先接收输入的已知型值点，记为其中，i表示型值点处于的水线标号，以船舶基线为0，沿Z轴正向递增，Z轴正向竖直向上；j表示型值点在水线上的位置，以船尾部的第一个点为0，沿X轴正向递增，X轴正向指向船首。3.如权利要求1所述的方法，其特征是，根据各水线上的型值点，反算水线的B样条表达式；第i条水线的三次B样条表达式的获取方式，包括以下步骤：S21，型值点的参数化：假设第i条水线上共包含n+1个型值点，则该条水线上的型值点中j的取值范围为0,1,…,n；将n+1个型值点按累积弦长方法进行参数化；令di为第i条水线的总弦长，则其中，表示第i条水线上第j个型值点，表示第i条水线上第j-1个型值点；第i条水线上第j个型值点对应的参数值表示为：其中，表示第i条水线上第j-1个型值点对应的参数值；构造节点矢量其中，ui,0＝…＝ui,3＝0，(3-1)ui,n+3＝…＝ui,n+6＝1，(3-2)其中，ui,0,ui,1,ui,2,…,ui,n+6表示定义第i条水线三次B样条表达式所需节点矢量的各个元素；S22，导矢的确定：记第i条水线首导矢为尾导矢为为计算和记第i条水线上距船尾最近的两个型值点的坐标为其中，表示第i条水线上距船尾最近的型值点坐标；表示第i条水线上距船尾第二近的型值点坐标；类似地，记第i条水线上距船首最近的两个型值点的坐标为：其中，表示第i条水线上距船首最近的型值点坐标；表示距船首第二近的型值点坐标；计算和S23，采用三次B样条，按给定两端导矢的反算算法，求解方程组(8)获得待求的第i条水线控制顶点j＝0，...，n+2；其中，表示第i条水线的三次B样条表达式的第1个控制点坐标，表示第i条水线的三次B样条表达式的第2个控制点坐标，以此类推，为第i条水线的三次B样条表达式的第n+3个控制点坐标；表示第i条水线上第1个型值点坐标，表示第i条水线上第2个型值点坐标，以此类推，为第i条水线第n+1个型值点坐标；是定义在非均匀节点矢量上的三次B样条基函数,其定义为：其中，ui,k表示中的第k个元素，ui,k+1表示中的第k+1个元素，p表示B样条基函数的次数；u为参数曲线的变量，k为中间变量；根据式(8)解出的控制顶点配合节点矢量得到第i条水线的三次B样条表达式，记为：其中，得到第i条水线的三次B样条表达式，是定义在非均匀节点矢量上的三次B样条基函数。4.如权利要求1所述的方法，其特征是，基于水线的三次B样条表达式，计算船体外形的广义截面曲线；具体步骤包括：将已经获得的各条水线按等参数分割；假设在船长方向采用M个网格，将参数区间[0,1]进行M等分，得到参数vJ＝J/M(λ＝0,1…,M)；将vλ带入水线的三次B样条表达式，得到水线上按参数均匀分布的离散点，记为其中，i表示离散点的垂向索引，以船舶基线上的点为0，沿Z轴正向递增；J表示离散点水平方向索引以船尾部的第一个点为0，沿X轴正向递增，U为水线的条数；获得后，将下标J相同的点的点沿垂向再次进行三次B样条反算，将得到的曲线命名为广义截面曲线。5.如权利要求1所述的方法，其特征是，由于船体的型值表上0水线按基线给出，而基线并非船体的边界，因此在反算各截面曲线时，除首尾轮廓线外，还要给其它的各截面曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37