一种基于直接控制自由变形的船体建模方法技术

本发明专利技术属于船体建模领域，公开了一种基于直接控制自由变形的船体建模方法、系统及设备，船体建模方法包括：根据待变形船体确定一个正六面体，并将待变形船体进行局部坐标变换线性地嵌入到正六面体中；在正六面体上定义控制顶点网格，将正六面体变为三维张量积Bezier体；根据待变形船体曲面上型值点的位移，反求满足位移约束的控制点的位移量；依据位移量移动控制点，使正六面体发生形变，将形变传递给正六面体中的待变形船体，使船体发生变形。本发明专利技术公开的船体建模方法可以重构出曲面光顺的新船型，对改良、设计高性能船型具有重要的意义。意义。意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于直接控制自由变形的船体建模方法


[0001]本专利技术属于船体建模
，尤其涉及一种基于直接控制自由变形的船体建模方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]目前，型线设计在船舶总体设计中占重要的地位。目前国内外常用的船型设计方法是传统设计方法，是对母型船线型资料、船模系列试验资料加以修改而实现的。后来部分学者尝试进行改进，用数学方法或基于型值点或控制点的方法完成船体曲面的建模和变形，主要包括融合方法、基于径向基函数插值方法、自由变形方法等。
[0003]以上船型设计方法虽行之有效，但存在以下问题：(1)过分依赖母型，工作量巨大、效率低；(2)无法更好地适应船东的多变性和船体型线的复杂性；(3)传统自由变形方法无法对几何约束进行精确定义，无法直接操纵几何外形表面指定点位移，并且为了获得较为精确的变形需要很多的控制点从而导致操作困难，控制点的移动对变形物体的改变没有物理直观性等问题。因此，如何快速高效地设计出性能优良的船体型线一直是国内外的研究热点。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于直接控制自由变形的船体建模方法、系统及设备。
[0005]本专利技术是这样实现的，一种基于直接控制自由变形的船体建模方法，用户通过直接移动船舶曲面上的某一个或多个型值点从而生成新的、光滑的船舶曲面，变形过程中产生的最佳变形框架是通过最小二乘模式实现的，所述基于直接控制自由变形的船体建模方法包括：
[0006]步骤一，根据待变形船体确定一个正六面体，此正六面体可以很好地包围住待变形船体，并将待变形船体进行局部坐标变换线性地嵌入到正六面体中；
[0007]步骤二，在正六面体上定义控制顶点网格，将正六面体变为三维张量积Bezier体；
[0008]步骤三，根据待变形船体曲面上型值点的位移，反求满足位移约束的控制点的位移量；依据位移量移动控制点，使正六面体发生形变，并将形变传递给正六面体中的待变形船体，使船体发生变形。
[0009]进一步，所述步骤一具体为：
[0010]根据待变形船体型值点的坐标生成一个正六面体，将待变形船体完全放入所述正六面体中，构造局部坐标系，将船体型值点的笛卡尔坐标转化成局部坐标。
[0011]进一步，所述步骤二具体为：
[0012]所述正六面体上的控制点均匀分布，生成均匀分布的控制网格，并通过控制点的坐标根据映射关系式完成待变形船体的局部坐标与笛卡尔坐标的映射。
[0013]进一步，所述位移约束为最小二乘约束，通过最小二乘法使各个控制点的位移平
方和达到极小值，得到每个控制点的位移量。
[0014]进一步，所述局部坐标系为O'
‑
STU坐标系：
[0015]O'为局部坐标系的原点，S，T和U为轴矢量，O
‑
XYZ为笛卡尔坐标系；O'
‑
STU坐标系中任一点X在局部坐标系中的坐标为(s，t，u):
[0016]X＝X0+sS+tT+uU
[0017]其中，X0为局部坐标系的原点，s，t，u分别为：
[0018][0019]其中，0≤s,t,u≤1。
[0020]进一步，所述控制顶点网格P
i,j,k
具体为：
[0021]沿S，T和U三个方向用平行于O
′
TU，O
′
SU和O
′
ST坐标面的等距离截面将O
′
S，O
′
T和O
′
U等分为l，m和n个区间，得到P
i,j,k
：
[0022][0023]其中，i,j,k＝0,1,2,3
…
，当i＝j＝k＝0时，P
i,j,k
为局部坐标系的原点。
[0024]进一步，所述局部坐标与笛卡尔坐标的映射为：
[0025][0026]其中，X(s,t,u)为控制体内任意一点的坐标，及分别是l，m及n次Bernstein多项式基函数。
[0027]进一步，所述Bernstein多项式基函数表示为：
[0028][0029]进一步，所述满足位移约束的控制点的位移量具体为：
[0030]各个直接操作点的移动相对独立，S
f
(f＝1,2,...,h)为几何外形上原始点的位置，原始点局部坐标为(s
f
,t
f
,u
f
)，相应的目标点为T
f
；计算每个控制顶点P
i,j,k
的位移δ
i,j,k
，使S
f
移动到T
f
，T
f
和S
f
有如下关系：
[0031][0032][0033]进一步，所述满足位移约束的位移量的解不唯一，通过最小二乘约束，使各个控制点的位移平方和达到极小值：
[0034][0035]进一步，所述最小二乘约束具体为：
[0036]定义Lagrange函数L：
[0037][0038]式中：λ
f
＝[λ
f1 λ
f2 λ
f3
]T
(f＝1,2,...,h)为Lagrange乘子，根据泛函极值理论，令
[0039][0040]式中：为自由变形方法控制点位移δ
i,j,k
在3个坐标轴上的分量，得到如下关系：
[0041][0042]δ
i,j,k
通过求解线性方程组得到，表达式为：
[0043][0044]式中，h
f
为点S
f
的局部坐标(s
f
,t
f
,u
f
)。
[0045]进一步，所述控制点位置移动之后，控制体中待变形的几何外形上任一点x(s,t,u)的位移Δx为：
[0046][0047]式中，ΔP
i,j,k
为FFD控制体中第(i,j,k)个控制点的位移量，变形后几何外形上每一个点的位置为：
[0048]x
′
(s,t,u)＝x(s,t,u)+Δx(s,t,u)。
[0049]通过以上步骤，最终生成符合设计者目标的新船型，步骤中的直接操作点可以直接作为优化变量，其具有良好的物理直观性，同时当它的位移为0时也可以作为约束点。
[0050]本专利技术的另一目的在于提供一种基于直接控制自由变形的船体建模系统，其特征
在于，所述船体建模系统包括:
[0051]自由变形模块，通过建立伯恩斯坦基函数矩阵，实现了待变形船体局部坐标与全局坐标之间的映射；
[0052]变形约束模块，根据设计者指定的变形参数，采用最小二乘约束使各个控制点的位移平方和达到极小值，从而计算出变形后的控制框架；
[0053]变形操作模块，根据变形后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于直接控制自由变形的船体建模方法，其特征在于，所述基于直接控制自由变形的船体建模方法包括：步骤一，根据待变形船体确定一个正六面体，并将待变形船体进行局部坐标变换线性地嵌入到正六面体中；步骤二，于所述正六面体上定义控制顶点网格，将正六面体变为三维张量积Bezier体；步骤三，根据待变形船体曲面上型值点的位移，反求满足位移约束的控制点的位移量；依据位移量移动控制点，使正六面体发生形变，将形变传递给正六面体中的待变形船体，使船体发生变形。2.如权利要求1所述的基于直接控制自由变形的船体建模方法，其特征在于，所述步骤一具体为：根据待变形船体型值点的坐标生成一个正六面体，将待变形船体完全放入此正六面体中，然后构造一个局部坐标系，将船体型值点的笛卡尔坐标转化成局部坐标。3.如权利要求1所述的基于直接控制自由变形的船体建模方法，其特征在于，所述步骤二具体为：正六面体上的控制点均匀分布，生成均匀分布的控制顶点网格，并通过控制点的坐标根据映射关系式完成待变形船体的局部坐标与笛卡尔坐标的映射。4.如权利要求1所述的基于直接控制自由变形的船体建模方法，其特征在于，所述位移约束为最小二乘约束，通过最小二乘法使各个控制点的位移平方和达到极小值，得到每个控制点的位移量；所述控制点的位移量具体为：各个直接操作点的移动相对独立，S
f
(f＝1,2,...,h)为几何外形上原始点的位置，原始点局部坐标为(s
f
,t
f
,u
f
)，相应的目标点为T
f
；计算每个控制顶点P
i,j,k
的位移δ
i,j,k
，使S
f
移动到T
f
，T
f
和S
f
有如下关系：有如下关系：5.如权利要求2所述的基于直接控制自由变形的船体建模方法，其特征在于，所述局部坐标系为O'
‑
STU坐标系：O'为局部坐标系的原点，S，T和U为轴矢量，O
‑
XYZ为笛卡尔坐标系；O'
‑
STU坐标系中任一点X在局部坐标系中的坐标为(s，t，u):X＝X0+sS+tT+uU其中，X0为局部坐标系的原点，s，t，u分别为：其中，0≤s,t,u≤1；所述控制顶点网格P
i,j,k
具体为：沿S，T和U三个方向用平行于O
′
TU，O
′
SU和O
′
ST坐标面的等距离截面将O
′
S，O
′
T和O
′
U等分为...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯佰威，岳朝欢，常海超，刘祖源，詹成胜，程细得，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：