水面艦船型線生成及幾何重構(gòu)方法研究綜述

劉 平，張 恒，程 虹，李 煒

(中國(guó)人民解放軍92537部隊(duì)，北京 100161)

水面艦船型線生成及幾何重構(gòu)方法研究綜述

劉 平，張 恒，程 虹，李 煒

(中國(guó)人民解放軍92537部隊(duì)，北京 100161)

對(duì)水面艦船型線生成及幾何重構(gòu)方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。指出傳統(tǒng)船型設(shè)計(jì)方法在新需求和技術(shù)面前表現(xiàn)出的嚴(yán)重不足，同時(shí)分析對(duì)比各種新方法的優(yōu)劣，最后提出船體型線生成及幾何重構(gòu)的研究將會(huì)與以性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)的基于設(shè)計(jì)的仿真技術(shù)以及多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等新的理論方法相結(jié)合的趨勢(shì)。

水面艦船；船型生成；幾何重構(gòu)；多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 引 言

船體型線設(shè)計(jì)是艦船總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，對(duì)艦船的技術(shù)性能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性有重要影響。型線設(shè)計(jì)的成敗直接決定著艦船的靜力學(xué)性能及快速性、耐波性、操縱性等動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)劣，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者從未停止對(duì)先進(jìn)型線生成方法的探尋。近年來(lái)，隨著對(duì)船型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的深入，特別是多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的引入，如何實(shí)現(xiàn)船體型線的自動(dòng)生成與幾何重構(gòu)已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文對(duì)水面艦船型線生成及幾何重構(gòu)方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面綜述，分析對(duì)比各種方法的優(yōu)劣，指出今后技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，為下一步開(kāi)展研究打下良好基礎(chǔ)。

1 船體型線生成方法

船體型線生成方法主要有自行繪制法、母型法、系列船型法及數(shù)學(xué)船型法4種。自行繪制法是早期船體型線設(shè)計(jì)采用的方法，它是在給出邊值條件(如設(shè)計(jì)水線半寬、吃水等)和初始條件(如主尺度L，B，T和橫剖面面積曲線等)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)船所選定的型線特征，憑設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)選取若干控制點(diǎn)，用柔軟木樣條和壓鐵繪制包含各控制點(diǎn)在內(nèi)的1組剖面型曲線(如橫剖面型曲線或水線)，然后按畫(huà)法幾何與制圖方法從這組型線圖取值繪出船體三向剖面曲線圖(橫剖面型線圖、半寬水線圖和縱剖面型線圖)。母型法和系列船型法是目前最為常用的傳統(tǒng)船型設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，按照有關(guān)理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，查找與新設(shè)計(jì)船的主要要素和用途功能相近且性能優(yōu)秀的母型船資料或系列船模資料，然后通過(guò)主尺度變換、橫剖面面積曲線變換等線型變化方法改造母型船或系列船模，得到符合設(shè)計(jì)船要求的新船型[1-2]。

自行繪制法、母型法和系列船型法這3種傳統(tǒng)的船型設(shè)計(jì)方法通過(guò)交互式設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)完成，得到的通常是小比例的線型圖，其型值為離散型值點(diǎn)，因此建造前，還需先對(duì)船體線型進(jìn)行三向光順，耗費(fèi)大量的人力資源和時(shí)間，設(shè)計(jì)效率低下，且不能保證得到的船體型線的光順性。同時(shí)，傳統(tǒng)船體型線設(shè)計(jì)方法生成的船型性能優(yōu)劣還與船舶設(shè)計(jì)師的個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及積累線型數(shù)據(jù)庫(kù)的多少密切相關(guān)，具有較大的偶然性[3-4]。

陳賓康[5]提出船舶設(shè)計(jì)要適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展，只有通過(guò)設(shè)計(jì)者運(yùn)用數(shù)學(xué)理論、邏輯思維方法和技巧對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)描述、分析和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。近20年來(lái)船體型線設(shè)計(jì)的發(fā)展，多是依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)而在型線繪制和修改手段上有所突破，總體設(shè)計(jì)思路依舊沿用母型改造法和系列型線生成法等傳統(tǒng)方法，仍無(wú)法擺脫對(duì)設(shè)計(jì)師直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)烈依賴。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)理念的革新，希望在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，大幅度提高設(shè)計(jì)效率且盡量減少設(shè)計(jì)者的主觀介入。

按照Harries等[6]的分析，現(xiàn)有的三維曲面建模方法主要分為常規(guī)方法和參數(shù)化建模方法兩大類。常規(guī)方法又分為2種：一種是點(diǎn)連線，線成面的網(wǎng)格構(gòu)造，通過(guò)點(diǎn)的位置和角度來(lái)定義形狀；另一種是通過(guò)頂點(diǎn)控制曲面來(lái)直接生成和變形，最典型的就是Bézier曲線和B樣條。常規(guī)方法不受內(nèi)部幾何拓?fù)潢P(guān)系的限制，靈活性很強(qiáng)，但也因其高自由度，在確定幾何形狀時(shí)，需要大量的外部數(shù)據(jù)作為約束條件，且要保證船體型線的光順，必須引入其他曲線曲面協(xié)調(diào)技術(shù)。因此，高效而優(yōu)質(zhì)的參數(shù)化建模概念便順理成章地引入到了船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

參數(shù)化建模方法主要是通過(guò)解析的數(shù)學(xué)函數(shù)和數(shù)值擬合2種方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)學(xué)函數(shù)型線生成法是根據(jù)船體型線的特征，采用一定的數(shù)學(xué)方法，用函數(shù)形式來(lái)表達(dá)水線、橫剖線或船體曲面，用計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成型線生成。國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者對(duì)船體參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行研究，彭力采用橢圓弧和四次多項(xiàng)式的組合式來(lái)設(shè)計(jì)船體的球鼻首，孫家鵬對(duì)穿浪雙體船線型的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究[7]，宋鵬克等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到船體型線的參數(shù)化設(shè)計(jì)中[8]。但由于船體表面十分復(fù)雜，目前還未形成有效、實(shí)用的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)迅速成為一種新興的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，大大推動(dòng)了用數(shù)學(xué)方法表達(dá)船體曲面這一研究工作的進(jìn)程。20世紀(jì)曾出現(xiàn)過(guò)幾種數(shù)學(xué)船型，如Wigley數(shù)學(xué)船型、Lewis數(shù)學(xué)船型等，但都是用拋物線等簡(jiǎn)單函數(shù)構(gòu)成的沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的船型。李世謨[9]提出的指數(shù)函數(shù)多項(xiàng)式，僅能對(duì)形狀簡(jiǎn)單的船體外形進(jìn)行描述。陳賓康[10]根據(jù)型線的不同幾何特征建立了相應(yīng)的描述函數(shù)，并加權(quán)合成生成船體橫剖線的參數(shù)調(diào)和方程，局部修改則依賴B樣條曲線擬合。但該方法的研究只停留在概念階段，無(wú)法驗(yàn)證其精確性。

近幾年參數(shù)化技術(shù)發(fā)展較快，參數(shù)化技術(shù)是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用1組參數(shù)來(lái)約束設(shè)計(jì)對(duì)象的尺寸。參數(shù)化設(shè)計(jì)通過(guò)改動(dòng)設(shè)計(jì)圖形的某一參數(shù)，自動(dòng)完成對(duì)設(shè)計(jì)圖形中相關(guān)部分的改動(dòng)，極大地改善了圖形的修改手段。因此，把船型和船型參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，恰當(dāng)?shù)剡x擇主尺度和船型參數(shù)就能生成完整、光順的船型曲面，是造船工作者夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與發(fā)展，數(shù)學(xué)船型設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[11-12]。數(shù)學(xué)船型設(shè)計(jì)就是根據(jù)設(shè)計(jì)者已選定的船舶主尺度和船型系數(shù)，用數(shù)學(xué)方法直接生成船體曲面，并保證線型的光順性，因而在設(shè)計(jì)中不需要光順，生產(chǎn)中不需要放樣，節(jié)約了時(shí)間和資金，但該工作的難度較大。目前船體曲面的幾何表示法分為2種：一種是研究水線簇、橫剖線簇和縱剖線簇所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)法[13]，這種表示方法是由幾組按一定規(guī)律變化的平面曲線來(lái)構(gòu)成船體表面，即傳統(tǒng)的二維船型設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)法首先采用某種曲線數(shù)學(xué)方程分別表示平面曲線(水線、橫剖線和縱剖線)。然后根據(jù)得到的水線、橫剖線和縱剖線，生成船體線框模型，最后用NURBS曲面片覆蓋該線框模型，生成船體曲面模型；另一種是直接用曲面函數(shù)來(lái)表示滿足各種邊界條件的船體曲面，即曲面片法。曲面片法是用Bézier曲面表達(dá)曲面片，然后將曲面片拼接成光滑的船體曲面。這種方法只需較少的曲面片就可以生成船體曲面模型，且在理論上保證了橫剖線、水線和縱剖線的三向光順，生成的船體曲面不需要放樣，可直接用于生產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代中期以后，在船舶型線設(shè)計(jì)中，Coons曲面、B樣條曲面、有理樣條逐漸得到應(yīng)用。1977年，David開(kāi)始將B樣條曲線曲面用于船體設(shè)計(jì)[14]。1978年，雙三次Coons曲面也在計(jì)算機(jī)輔助船體設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用[15]。20世紀(jì)70年代末，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始采用樣條曲線對(duì)船體曲面進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。1981年，周超駿和劉鼎元開(kāi)始用Bézier曲面構(gòu)造船體曲面[16]，1985年，他們首次將B樣條曲面運(yùn)用于船體曲面設(shè)計(jì)中，并指出船體曲面不需要分片。1996年，林焰和紀(jì)卓尚等人對(duì)船體的曲面生成技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了船體曲面B樣條幾何造型控制網(wǎng)格生成思想以及曲面邊界條件的處理方法[17-18]。

20世紀(jì)90年代中期以后，非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS)方法的提出及其所具有的優(yōu)良特性，使人們開(kāi)始利用它進(jìn)行船體曲面造型[19]。NURBS曲面理論上可以保證船體的橫剖線、水線和縱剖線三向光順，生成的NURBS船體曲面甚至不需要放樣，可直接用于生產(chǎn)。國(guó)外一些著名的船舶設(shè)計(jì)軟件如美國(guó)FasiShip、澳大利亞MaxSurf和瑞典TRIBON等都紛紛開(kāi)發(fā)、擴(kuò)展NURBS功能，直接生成NURBS曲面為船體曲面模型，只需要較少的曲面片，就能很快生成光順的船體NURBS曲面。國(guó)內(nèi)近幾年也陸續(xù)開(kāi)展了相應(yīng)的研究，基于NURBS的船舶設(shè)計(jì)及性能計(jì)算特別是船體曲面造型技術(shù)正逐漸成為船舶技術(shù)的研究熱點(diǎn)。為了根據(jù)少量的船型參數(shù)生成基于NURBS表達(dá)的光順的船體曲面的數(shù)學(xué)船型，遺傳算法已被用于船型的初始生成[20]。

隨著曲線數(shù)值擬合技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)對(duì)船體型線生成方法的研究更多的集中在高精度的數(shù)值方法上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的型線描述方法主要以B樣條函數(shù)、Bézier曲線和NURBS函數(shù)為出發(fā)點(diǎn)[21]。Arribas[22]提出的自動(dòng)生成三維光順船體曲面方法需要船體型值數(shù)據(jù)。Sarioz[23]采用變分方法考察相關(guān)曲面的曲率函數(shù)變化，以船體表面積最小為NURBS函數(shù)的約束條件。Perez[24]利用B樣條曲線以中剖線和邊線為約束條件來(lái)生成三維船體線型曲面。王棟等[25]分別以船體線框模型和船體曲面模型實(shí)現(xiàn)了二維曲線和三維曲面的生成。張萍等[26]采用參數(shù)化建模方法中，按照應(yīng)變能最小原理保證了NURBS船體曲面的光順。Kang等[27]將Morphing技術(shù)應(yīng)用到船體曲面修改中，實(shí)現(xiàn)了初始曲面到新曲面的光滑過(guò)渡。

但船型的生成，除了按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)幾何外形的準(zhǔn)確描述外，后期的反復(fù)優(yōu)化更為重要。因此，在船型設(shè)計(jì)方面，越來(lái)越多的研究已不僅僅只是單一的突破型線生成方法，而是將重點(diǎn)放在了以性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)的SBD(Simulation Based Design)技術(shù)[28]上。其核心思想是以決定船體幾何外形的重要參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，利用CFD對(duì)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)(船舶水動(dòng)力性能)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)最優(yōu)化技術(shù)對(duì)船型設(shè)計(jì)空間進(jìn)行探索，最終獲得給定約束條件下的性能最優(yōu)的船體外形[29-30]。

綜上所述，現(xiàn)有的船體型線生成方法研究表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1)可利用簡(jiǎn)單的指數(shù)函數(shù)或者多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)形狀簡(jiǎn)單船型的部分二維型線進(jìn)行描述，但尚未實(shí)現(xiàn)三維曲面的生成；

2)基于樣條函數(shù)的數(shù)值逼近方法，在船體二維型線和三維形狀曲面精確擬合方面的技術(shù)已相對(duì)成熟；

3)型線擬合方法通過(guò)控制點(diǎn)的條件，可在保證型線光順的前提下實(shí)現(xiàn)船體幾何曲面的生成。

2 幾何重構(gòu)技術(shù)發(fā)展及其在船型優(yōu)化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

船型優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在每一步優(yōu)化迭代過(guò)程中按照設(shè)計(jì)變量的變化生成新的船型，或者按照設(shè)計(jì)空間樣本點(diǎn)的變量組合生成系列船型，而這些目標(biāo)可通過(guò)參數(shù)化的幾何重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

幾何曲面重構(gòu)就是由曲面采樣點(diǎn)恢復(fù)原始幾何曲面的過(guò)程，即由掃描得到的幾何數(shù)據(jù)點(diǎn)生成幾何曲面模型的數(shù)學(xué)過(guò)程[31]。根據(jù)原始曲面來(lái)判斷重構(gòu)曲面的好壞與精度，因此，選擇合適的數(shù)學(xué)表達(dá)式在整個(gè)幾何重構(gòu)過(guò)程中至關(guān)重要。由英國(guó)威爾士大學(xué)斯旺西學(xué)院的Peri D等[32-33]組成的團(tuán)隊(duì)對(duì)船型的幾何重構(gòu)和優(yōu)化進(jìn)行了多年的研究。他們?cè)缙诓捎肂ézier補(bǔ)丁方法實(shí)現(xiàn)了船體局部(球鼻首)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。不過(guò)，將該方法用于整船優(yōu)化需要大量的計(jì)算內(nèi)存。其后他們又對(duì)基于CAD方法的船體幾何重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行研究[34]，方法原理主要是由NURBS曲面模擬CAD方法，以曲面控制點(diǎn)為優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)變量。Piegl L[35-37]在1989年首先提出2種修改NURBS曲線曲面形狀的方法：基于控制頂點(diǎn)的修改和基于權(quán)因子的修改。然而這種方法也較為復(fù)雜，自動(dòng)化程度并不高。近年來(lái)，隨著一種非常靈活的三維幾何變形方法FFD(Free-Form Deformation Approach，自由變形方法)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的提出，Peri等[38]將此應(yīng)用于船體形狀參數(shù)化表達(dá)，并對(duì)多體船進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。但依然無(wú)法大量減少整船幾何重構(gòu)時(shí)設(shè)計(jì)變量的數(shù)量。為解決這一問(wèn)題，Peri D和Tahara[39]對(duì)由多個(gè)已知船型線性疊加形成新船型的疊加調(diào)和方法進(jìn)行研究，并在雙體船上得到了驗(yàn)證。這種方法得到的船型光順性很好，但初始船型的選擇存在一定的難度，且難以獲得較多的船體幾何外形。

此外，許多研究將船體變形分為總體變形和局部變形2個(gè)層次。在總體變形方面，由Lackenby于1950年提出的基于橫剖面面積曲線變化的Lackenby方法運(yùn)用較多[40-41]。該方法通過(guò)沿船長(zhǎng)方向平移橫剖面，改變棱形系數(shù)、浮心縱向位置和平行中體，從而實(shí)現(xiàn)整船的幾何變形。在局部變形方面，主要是基于B樣條的各種數(shù)值方法，通過(guò)控制點(diǎn)的變化實(shí)現(xiàn)局部變形。

更多的研究將重點(diǎn)放在幾何重構(gòu)技術(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。張弛[42]在對(duì)參數(shù)法的船型自動(dòng)生成的研究中，實(shí)現(xiàn)了以船體的形狀參數(shù)作為輸入，以水動(dòng)力計(jì)算所需要的船體型值作為輸出的幾何建模系統(tǒng)，使幾何船體與水動(dòng)力性能成為一種內(nèi)在決定性關(guān)系。林小平[43]結(jié)合艇體繞流粘性流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬，應(yīng)用NURBS開(kāi)發(fā)了潛艇的型線生成計(jì)算程序，通過(guò)生成不同形狀的艇體對(duì)其線型進(jìn)行水動(dòng)力優(yōu)選。馮佰威、劉祖源等在相關(guān)研究基礎(chǔ)上拓展至多學(xué)科綜合優(yōu)化集成平臺(tái)的建立的研究，優(yōu)化過(guò)程利用CAD/CFD一體化設(shè)計(jì)過(guò)程集成技術(shù)，將型線設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化有機(jī)地結(jié)合在了一起，使CFD技術(shù)更好地服務(wù)船舶總體設(shè)計(jì)[44-45]。Shinde[46]在博士期間對(duì)一種用于三體船初步設(shè)計(jì)的多學(xué)科優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。方法中集成了動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、負(fù)載、成本及水動(dòng)力性能等多方面的優(yōu)化，其中型線優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)主要是通過(guò)水動(dòng)力性能CFD數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果。Hyunyul Kim[47]重點(diǎn)對(duì)基于CFD的船型水動(dòng)力優(yōu)化方法進(jìn)行了深入研究，比較了船體型線NURBS描述、函數(shù)描述和NURBS與函數(shù)相結(jié)合描述3種型線生成方法的效率和精度，及其對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)的適應(yīng)性。討論融合低精度CFD工具(SSF)和高精度CFD工具(FEFLO)的計(jì)算模塊在型線優(yōu)化中的運(yùn)用，并將整個(gè)優(yōu)化方法應(yīng)用于對(duì)Wigley船型和系列60船型等經(jīng)典線型的水動(dòng)力單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化中，證實(shí)了方法的可行性。此外，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[48-51]也按照類似思路，利用CFD技術(shù)為船型的水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行諸多研究，研究重點(diǎn)多是在型線生成方法，CFD計(jì)算的效率和精度，模塊間融合方面，優(yōu)化目標(biāo)主要集中在快速性和耐波性等水動(dòng)力性能方面。

綜合來(lái)看，現(xiàn)有的船型幾何重構(gòu)方法主要分為解析方法和以B樣條為基礎(chǔ)的數(shù)值方法，其針對(duì)船型優(yōu)化的特征對(duì)比如表1所示。

表1 船型幾何重構(gòu)方法特征對(duì)比Tab.1 The comparison of geometric representation methods characteristic

3 展 望

綜合當(dāng)前船體型線生成及幾何重構(gòu)方法的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)型線的自動(dòng)生成與幾何重構(gòu)的探索尚未達(dá)到成熟完備的地步，很多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究與探討。

1)數(shù)學(xué)船型設(shè)計(jì)將是實(shí)現(xiàn)船體型線自動(dòng)生成很有發(fā)展?jié)摿Φ耐緩街弧．?dāng)前對(duì)其的研究以B樣條、NURBS等函數(shù)形式居多，今后的研究可將更多的理論方法引入進(jìn)來(lái)，如微分幾何理論等；

2)對(duì)船體型線生成及幾何重構(gòu)方法的研究不能孤立的開(kāi)展。在水面艦船的概念方案設(shè)計(jì)及方案初步設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)多個(gè)方案的性能指標(biāo)進(jìn)行比較評(píng)估，因此，型線生成及幾何重構(gòu)方法的研究要跟船體性能指標(biāo)之間通過(guò)某種方式關(guān)聯(lián)起來(lái)；

3)隨著以性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)的SBD技術(shù)以及多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等先進(jìn)理論方法在船舶領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，以參數(shù)化建模為核心的型線生成及幾何重構(gòu)方法(恰當(dāng)?shù)剡x擇或改變主尺度和船型參數(shù)就能生成完整、光順的船型曲面)將在學(xué)科交叉中迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

[1] 黃宏波,等.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)——總體分冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[2] 錢文豪.船舶型線設(shè)計(jì)[J].船舶， 1998(1):47-60.

[3] 張萍.船型參數(shù)化設(shè)計(jì)[D].無(wú)錫:江南大學(xué),2009.

[4] 董楓.船體曲面特征參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[5] 陳賓康.船舶設(shè)計(jì)的演變與現(xiàn)代設(shè)計(jì)法[J].武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào),1987,11(3):25-32.

[6] HARRIES S,ABT C,HOCHKIRCH K.Modeling meets simulation-process integration to improve design[C].Sonderkolloquium zu Ehren der Professoren Hagen,Schluter und Thiel,Germany,2004.

[7] 孫家鵬.穿浪雙體船線型參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[8] 宋鵬克，管義峰.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)河干貨船型線參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(7)：1921-1925.

[9] 李世謨.一種數(shù)學(xué)船型[C].武漢造船工程學(xué)會(huì)船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集,1991.

[10] 陳賓康.函數(shù)合成法生成型線與光順[C].中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù) 員會(huì)綜合學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,1992.

[11] 曾隆杰.船舶CAD[M].北京：人民出版社,2000.

[12] 李彥本,林焰,紀(jì)卓尚,等.數(shù)學(xué)船型型線設(shè)計(jì)方法研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,38(4):382-386.

[13] 周超駿.計(jì)算機(jī)輔助船體型線設(shè)計(jì)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992.

[14] ROGERS D F.B-spline curves and surfaces for ship hull design[J].The Society of Naval Architects and Marine Engineers,1977(9):26-27.

[15] YUILLE I M,The forward design system for computer adied design using a mini-computer[J].Royal Institute Naval Architects,1978(9).

[16] 周超駿,劉鼎元.船體數(shù)學(xué)線型設(shè)計(jì)——曲面法探討[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1981,15(4):21-31.

[17] 林焰，紀(jì)卓尚，戴寅生.船體B樣條曲面的數(shù)學(xué)描述及計(jì)算機(jī)方法[J],中國(guó)造船，1996,11(4):83-86.

[18] 林焰，紀(jì)卓尚，戴寅生.船體幾何造型設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996,36(2)：212-215.

[19] 陳紹平.NURBS 曲線及其在船舶型線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

[20] BIRMINGHAM R M,SMITH T A G.Automatic hull from generation:a practical tool for design and research[M].Practical Design of Ships and Mobile Units,1998:281-287.

[21] NOWACKI H.Five decades of computer-aided ship design[J].Computer-Aided Design,2010,42(11):956-969.

[22] ARRIBAS F P,SUAREZ-SUAREZ J A,FERNANDEZ-JAMBRINA L.Automatic surface modeling of a ship hull[J].Computer-Aided Design,2006,38(3):584-594.

[23] SARIOZ E.An optimization approach for fairing of ship hull forms[J].Ocean Engineering,2006,33(10):2105-2118.

[24] PEREZ F,SUAREZ J A.Quasi-developable b-spline surfaces in ship hull design[J].Computer-Aided Design,2007,39(4):853-862.

[25] 王棟,榮煥宗.數(shù)字化船型設(shè)計(jì)方法[J]. 船舶工程, 2008,2(30):12-15.

[26] 張萍,冷文浩,朱德祥,等.船型參數(shù)化建模[J].船舶力學(xué),2009,1(13):47-54.

[27] KANG J Y,LEE B S.Mesh-based morphing method for rapid hull form generation[J].Computer-Aided Design.2010,42(11):970-976.

[28] CAMPANA E F,LIUZZI D,LUCIDI S,et al.New global optimization methods for ship design problems[J].Optimization Engineering,2009,10(4):533-555.

[29] 趙峰,李勝忠,楊磊,等.基于CFD的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展綜述[J].船舶力學(xué),2010,14(7):812-821.

[30] 趙峰,程素斌,楊磊,等.水面艦船航行性能MDO系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)研究[J].船舶力學(xué),2012,11(16):1257-1266.

[31] 王宏杰.曲面重構(gòu)技術(shù)的一點(diǎn)體會(huì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，1999,20(4):25-27.

[32] PERI D,ROSSETTI M,CAMPANA E F.Design optimi-zation of ship hulls via CFD techniques[J].Journal of Ship Research,2001,45(2):140-149.

[33] PERI D,CAMPANA E F.Multidisciplinary design opti-mization of a naval surface combatant[J].Journal of Ship Research,2003,47(1):1-12.

[34] CAMPANA E F,PERI D,TAHARA Y,et al.Comparison and validation of CFD based local optimization methods for surface combatant bow[C].The 25th Symposium on Naval Hydrodynamics.Canada,2004.

[35] PIEGL L.On NURBS:Asurvey[J].IEEE Computer Grap-hics and Application，1991,10(1):55-71.

[36] PIEGL L.Modifying the shape of rational B-spline Part 1:Curves[J].Computer Aided Design,1989,21(8):509-518.

[37] PIEGL L.Modifying the shape of rational Bspline Part 2:Surfaces[J].Computer Aided Design,1989,21(9):538-546.

[38] PERI D,CAMPANA E F.Simulation based design of fast multi-hull ship[C].26th Symposium on Naval Hydrodynamics,Rome, Italy,2006.

[39] TAHARA Y,PERI D,CAMPANA E F,et al.Single and multiobjective design optimization of a fast multihull ship: Numerical and experimental results[C].27th Symposium on Naval Hydrodynamics,Seoul,Korea,2008:25-33.

[40] KIM H,YANG C.A new surface modification approach for CFD-based hull form optimization[J].Journal of Hydrodynamics, Ser.B,2010,22(5):520-525.

[41] OZYM S,SENER B,YILMAZ H.A parametric study on seakeeping assessment of fast ships in conceptual design stage[J].Ocean Engineering,2011(38):1439-1447.

[42] 張弛,毛筱菲.基于參數(shù)法的船型自動(dòng)生成[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,33(4):675-678.

[43] 林小平.潛艇水動(dòng)力計(jì)算機(jī)型線生成研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2005.

[44] 馮佰威,劉祖源,聶劍寧,等.基于iSIGHT的船舶多學(xué)科綜合優(yōu)化集成平臺(tái)的建立[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,33(5):897-899.

[45] 馮佰威,劉祖源,常海超,等.船舶CAD/CFD一體化設(shè)計(jì)過(guò)程集成技術(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(4):649-651.

[46] SHINDE R V.An automated multidisciplinary design opti-mization method for multi-hull vessels[D].Long Beach:California State University,2007.

[47] KIM H.Multi-objective optimization for ship hull form design[D].Fairfax:George Mason University,2009.

[48] MAISONNEUVE J J,HARRIES S,MARZI J,et al.Towards optimal design of ship hull shapes[C].International Marine and Dredging Consultants,Athens,2003.

[49] MAISONNEUVE J J.Towards ship optimal design involving CFD[C].Registro Italiano Navale CFD,London,2003.

[50] EEFSEN T,et al.Development of frigate designs with good sea-keeping characteristics[C].9th Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures,Germany,2004.

[51] 劉小健.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在船舶水動(dòng)力性能優(yōu)化中的應(yīng)用[J].上海造船,2010,82(2):10-13.

An overview on hull form generations and geometric representation methods of surface naval ship

LIU Ping,ZHANG Heng,CHENG Hong,LI Wei

(No.92537 Unit of PLA,Beijing 100161,China)

An overview on hull form generations and geometric representation methods of surface naval ship are presented in this paper. Traditional ship design method can′t accommodate itself to the new requirements and new technologies, various new methods are developed to improve it, and their relative merits are analyzed. Lastly, the development trend of studying on the hull form generations and geometric representation methods is prospected, that it will be integrated with new methods such as Simulation Based Design(SBD)technology(aimed at performance drive design) and Multidisciplinary Design Optimization(MDO) theory.

surface naval ship；hull form generations；geometric representation；MDO

2013-07-24；

2013-12-26

劉平(1967-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕灤傮w論證。

U674

A

1672-7649(2014)06-0001-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.001