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船体曲面表达与三维船舶设计研究

作　者: 仵大伟
导　师: 纪卓尚；林焰
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 船体曲面曲线曲面造型计算机辅助船舶设计船体结构插值曲面光顺曲线光顺求交算法参数化特征造型非均匀有理B样条 B样条
分类号: U662
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

曲线曲面造型技术是CAGD中最活跃最关键的学科分支之一。在船舶、飞机、汽车等计算机辅助外形设计中，对产品的光顺性有很高要求。光顺概念来源于工程实践，蕴涵着丰富的内容，涉及到数学、物理学、美学以及心理学等许多领域。光顺涉及到几何外形的美观性，具有光滑、顺眼两方面含义。判断曲线曲面光顺与否及光顺程度，往往依赖于设计人员的工程经验，有一定的主观色彩。所以，应从数学和物理学等的角度，研究光顺问题，确定光顺准则，将光顺问题转化为具有严格意义的数学问题。因此曲线曲面的光顺处理成为CAD／CAM中非常重要的一个问题，国内外许多学者对曲线曲面的光顺问题进行了大量研究。船体曲面比较复杂，在实际应用中，实现船体曲面的数学描述非常重要。船体曲面的数学描述有着很大的优越性，如放样精确，求值（型线、肋骨线、结构线、接缝线等）方便，也是后面船体结构设计，工程分析，建造的依据，是实现智能设计、虚拟建造的先决条件。所以，用NURBS技术作为数学工具，对船体曲面进行表达、插值和光顺处理是本文的主要研究内容之一。本文根据船体型值表的数据，用NURBS曲面来描述完整船体曲面，对插值曲面边界条件构造及节点矢量计算进行了研究，实现了船体曲线曲面的NURBS表达。根据曲线曲面的性质，以弹性样条和弹性薄片体的能量为物理模型，构造曲线曲面的光顺算法模型。对船体曲线曲面进行了光顺处理，得到满意的结果。用曲线的曲率图评价曲线的光顺性，用高亮线模型对曲面进行光顺性分析。在曲线曲面光顺算法中，对边界条件的控制也进行了研究。在船体曲面造型设计中，常用到曲面与平面的求交运算。根据投影变换原理，给出一种曲面与平面求交的新算法，算法原理简洁直观，计算稳定。并在本文得到成功应用和检验。在船体曲面NURBS表达完成后，使基于船体曲面的三维设计得以实现。研究了三维空间计算机辅助船舶设计方法，对船体外板排列及展开、船体舱室划分及计算、船体内部构件的参数化特征造型等在三维可视环境下进行虚拟设计。基于三维的设计较之传统的二维设计方法具有无法比拟的优越性。本文以AutoCAD的ObjectARX为开发环境，以Visual C⁺⁺为编程语言，完摘要一成上面的研究工作。并且，对特征类定义，约束关系引入，图形数据库和外部数据库联接与管理等也进行了研究。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-11
第1章绪论  11-24
  1．1 论文背景  11-13
  1．2 本文研究内容  13-16
    1．2．1 曲线曲面光顺处理综述  13-14
    1．2．2 船体曲线曲面光顺研究  14-15
    1．2．3 基于船体曲面的三维设计及船体结构参数化特征造型  15-16
  1．3 论文安排  16-17
  参考文献  17-24
第2章 NURBS曲线曲面的表达和插值算法  24-41
  2．1 B样条基函数的定义及性质  24-25
  2．2 非有理B样条曲线的定义及插值算法  25-29
    2．2．1 非有理B样条曲线的定义  25-26
    2．2．2 B样条曲线的插值算法  26-28
    2．2．3 B样条按节点矢量分类  28-29
  2．3 非有理B样条曲面的定义及其插值算法  29-32
    2．3．1 B样条曲面定义  29-30
    2．3．2 B样条曲面的插值  30-32
    2．3．3 B样条曲面的分类  32
  2．4 非均匀有理B样条曲线曲面  32-34
    2．4．1 非均匀有理B样条曲线  33-34
    2．4．2 非均匀有理B样条曲面  34
  2．5 船体曲线曲面NURBS表达示例  34-38
  2．6 本章小结  38
  参考文献  38-41
第3章船体曲线的B样条光顺  41-59
  3．1 曲线光顺的定义  41-42
  3．2 曲线光顺算法模型  42-51
    3．2．1 基于能量法的曲线光顺算法  42-48
    3．2．2 曲线光顺算例  48-51
  3．3 基于几何约束的形状修改  51-53
  3．4 基于曲线的曲面光顺  53-55
  3．5 本章小结  55-56
  参考文献  56-59
第4章船体曲面的B样条光顺  59-89
  4．1 曲面光顺准则及分类方法  59-61
    4．1．1 曲面光顺判别条件  59-60
    4．1．2 曲面光顺方法分类  60
    4．1．3 曲面性质  60-61
  4．2 曲面光顺的能量法  61-69
    4．2．1 能量模型的构造  62-66
    4．2．2 能量模型的解法  66-69
  4．3 曲面光顺性分析  69-72
    4．3．1 高亮线模型  70-71
    4．3．2 高亮线计算  71-72
  4．4 参数曲面与平面的求交算法  72-77
  4．5 曲面光顺算例  77-85
  4．6 本章小结  85-86
  参考文献  86-89
第5章基于船体曲面模型的三维设计  89-104
  5．1 基于船体曲面的三维设计  89-91
  5．2 船体数学放样  91-93
  5．3 外板排列  93-95
  5．4 分舱设计  95-96
  5．5 船舶总体性能计算  96
  5．6 船体结构造型设计  96-101
    5．6．1 几何造型综述  96-97
    5．6．2 参数化船体结构特征造型  97-101
  5．7 本章小结  101-102
  参考文献  102-104
第6章 ObjectARX开发和实现技术  104-116
  6．1 AutoCAD二次开发环境的发展  104-106
  6．2 AutoCAD图形数据库开发  106-108
  6．3 船体结构特征造型实现  108-113
    6．3．1 船体构件的参数化特征类定义  108-109
    6．3．2 船体结构造型设计  109-110
    6．3．3 数据管理  110-113
  6．4 船体曲线曲面造型设计实现  113-114
  6．5 本章小结  114
  参考文献  114-116
第7章结论与展望  116-120
  7．1 论文主要研究内容和结论  116-118
  7．2 展望  118-120
论文创新点摘要  120-121
致谢  121-122
攻读博士学位期间论文发表  122-123

船体曲面表达与三维船舶设计研究

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