基于SINOVATION的釣魚艇上層建筑快速建模方法

黃雪,于利民,王凱

(山東交通學院船舶與輪機工程學院,山東濟南 250357)

國民經濟的不斷增長促使游艇產業迅猛發展，尤其在國家“一帶一路”政策及山東省實施“新舊動能轉換重大工程”戰略背景下，游艇產業得到國家和地方政府的大力扶持，未來游艇經濟重心的轉移趨勢將會非常明顯[1-4]。然而在我國游艇產業如此蓬勃發展的態勢下，卻面臨著巨大的游艇設計技術難題——如何利用參數化進行設計，減少設計人員的工作量，提高設計效率，成為整個行業積極探索的目標，也是目前亟需解決的問題。傳統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，與目前快速發展的游艇產業極不相符。鑒于此，諸多專家學者致力于開發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，將其進行二次開發設計出游艇上層建筑造型設計的模塊；文獻[6]利用CATIA軟件對小型游艇造型進行參數化設計；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化設計。本文基于SINOVATION軟件，采用參數化設計，研發一套釣魚艇上層建筑快速建模系統，實現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化已取得一定進展，但業內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學解析公式表達，即使可以實現，也會相當的混亂。自1974年提出計算機輔助幾何設計以來，船體曲線曲面的表達方法得到迅猛發展，從貝齊爾曲線曲面，到B樣條曲線曲面，再到孔斯曲面，直至現在定義產品形狀的唯一數學表達方法的NURBS曲線曲面，歷經了十余載的時光，且逐漸被應用到船舶、航空、機械、汽車等領域[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一的計算機輔助幾何設計技術，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，實現工程設計的需要。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、前端壁后傾區以及駕駛區。現以釣魚艇上層建筑駕駛室前壁區曲線為例，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鍵點編號。P1-1P1-2P1-5P1-3P1-4圍成釣魚艇上層建筑前端壁區甲板平面線型，其中，P1-2P1-5P1-3構成曲線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P1-2、P1-6、P1-3三點空間坐標分別為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曲線參數方程式中的變量，t=0～1；ωi(i=1，2，3)為加權系數，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構。

2 分層次建模方法

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

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造，可嘗試采取獨立的建模方式。經過不斷探索與實踐，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計捕捉曲線信息，獲取3部分關鍵點坐標，經過一系列公式轉換，在建模系統界面輸入關鍵參數，即可建立完整的釣魚艇上層建筑曲線曲面。

3 快速建模系統的設計與實現

圖3 參數化設計流程圖

3.1 設計綜述

本設計主要依托SINOVATION軟件平臺，利用其具有的ADK(Application Development Kit應用開發工具包)二次開發功能，采用Visual Basic 和C++語言編程，實現釣魚艇上層建筑快速建模系統的研發。本設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 設計參數

參數的合理設置，不僅使快速建模系統的研發簡單快捷，而且會減少后臺系統錯誤的發生概率[16-19]。設計參數的確定原則是用最少的參數精準的表達釣魚艇上層建筑的形狀。

1)主要參數選擇

①縱向。如圖4所示，釣魚艇上層建筑總長L為參數化的主要參數之一；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。

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

③橫向。釣魚艇上層建筑或甲板室寬度為B。

④相關夾角。前端壁后傾角α、前窗后傾角β。

2)坐標系的選擇

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，后續采用裝配的方式與釣魚艇艇體相配合。故本文建模系統做如下規定：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 釣魚艇上層建筑設計參數示意圖 圖5 釣魚艇上層建筑快速建模系統坐標定義

3.3 曲線曲面的表達與參數化設置

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個關鍵點，如圖6所示。參數化后每個關鍵點參數坐標為：

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 快速建模系統的設計

圖6 釣魚艇上層建筑四層框架設計

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

3.5 快速建模系統的實現

本程序主要設計代碼如下：

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 快速建模系統測試

4.1 可用性及實用性測試

通過多次多組參數測試，結合游艇美學以及釣魚艇上層建筑實用性等在內諸多因素的影響，系統快速創建出一艘美觀與使用功能兼備的釣魚艇上層建筑模型。

釣魚艇上層建筑快速建模系統測試參數操作界面如圖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。點擊是否生成尾板和頂蓋按鈕，創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。再將其模型與相應船體相配合，組成完整的釣魚艇模型，如圖9所示。

圖7 系統測試參數操作界面 圖8 系統測試模型 圖9 深V型釣魚艇模型

4.2 準確性測試

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

表1 釣魚艇上層建筑快速建模系統測試參數

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。證明系統符合建模需求，準確性高，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

測試結果證明，本快速建模系統符合使用需求，設計出的釣魚艇上層建筑結構符合功能需要及美學規律，并可對現有釣魚艇上層建筑進行準確快速地建模，應用性強，可投入到釣魚艇上層建筑生產設計及研發工作中，增強企業競爭力。

5 結語

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，精簡設計參數，合理設置關鍵點，并將關鍵點坐標進行參數化轉換，采用Visual Basic和C++語言編程，創建釣魚艇上層建筑快速建模系統。該系統極大的縮短了釣魚艇上層建筑建模的創建時間，不僅可進行釣魚艇上層建筑外觀造型設計，也可完成既有船型的快速建模，系統可用性強，可應用于釣魚艇的生產設計與研發工作。