Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用

□陳鄭喬 尹 輝 鐘佩君

一、引言

游艇，作為一種水上娛樂(lè)用高級(jí)耐用消費(fèi)品，它集航海、運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)、休閑等功能于一體，能夠滿(mǎn)足個(gè)人及家庭享受生活的需要[1]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，游艇像轎車(chē)一樣多被私人擁有，而在中國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，游艇的擁有量逐漸增高，游艇將會(huì)和汽車(chē)一樣，成為進(jìn)入家庭的下一代耐用消費(fèi)品。

區(qū)別于常規(guī)船舶的設(shè)計(jì)思想，游艇的外型設(shè)計(jì)上在保證其優(yōu)良的各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，兼顧時(shí)尚性，體現(xiàn)人類(lèi)審美的精神需求。為滿(mǎn)足游艇實(shí)用方面的要求，在游艇船體外型設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用具有折角或直線(xiàn)式的船體以提高游艇的航速和保證船體的穩(wěn)定、抗風(fēng)浪性能[2]。而在時(shí)尚方面，相當(dāng)于工藝品，象征消費(fèi)者的身份、地位，游艇在外觀(guān)上極具個(gè)性化和藝術(shù)化，因而對(duì)船體外型設(shè)計(jì)提出極高的美學(xué)要求。游艇船體曲面建模能夠?qū)⒂瓮У脑煨驮谟?jì)算機(jī)軟件中以三維體的形式呈現(xiàn)出來(lái)，方便設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確地對(duì)游艇外型進(jìn)行修改。游艇船體的曲面建模是完成游艇船舶靜力學(xué)和船舶動(dòng)力學(xué)計(jì)算的第一步，精確的船體曲面建模是獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)。本文以83英尺豪華游艇為造型模版，對(duì)曲面建模進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，并介紹了Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用。

二、曲面建模

曲面建模也稱(chēng)為NURBS建模。NURBS建模是現(xiàn)代工業(yè)曲面造型中最為廣泛流行的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，它是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它通過(guò)控制點(diǎn)來(lái)影響曲線(xiàn)的生成，與網(wǎng)格、面片等方法相比,在復(fù)雜曲線(xiàn)曲面造型方面有較大的優(yōu)越性,造型效率高、曲線(xiàn)曲面修改更容易，從而可以創(chuàng)建出更為復(fù)雜、形狀更為生動(dòng)、效果更為逼真的曲面造型[3]。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，NURBS就是專(zhuān)門(mén)做曲面物體的一種造型方法。NURBS建模是用路線(xiàn)構(gòu)建曲線(xiàn)，然后由曲線(xiàn)生成曲面，再由曲面生成NURBS立體模型，而每個(gè)NURBS曲面都可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)定義且可通過(guò)改變控制點(diǎn)來(lái)改變NURBS曲面。在船舶曲面建模過(guò)程中也是運(yùn)用到這種方法。NUBRS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，在高級(jí)三維軟件當(dāng)中都支持這種建模方式。常見(jiàn)的支持NURBS曲面建模的軟件有Rhino、3D Max、Maya等等。

三、Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用

Maxsurf軟件是由澳大利亞Formation Design Systems公司為船舶設(shè)計(jì)和建造者開(kāi)發(fā)的，適用于各種船舶設(shè)計(jì)、分析和建造的一套非常完整的計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)和建造軟件[4]。它由多個(gè)模塊組成，包括Maxsurf modeler、Hullspeed、Hydromax、Workshop、Seakeeping、Prefit、Span、Hydrolink等模塊。其中，Maxsurf modeler模塊是Maxsurf軟件包的核心部分，modeler模塊包括一整套用一個(gè)或多個(gè)真正的三維NURBS曲面，進(jìn)行三維船體建模工具，可使船舶設(shè)計(jì)師快速，精確地設(shè)計(jì)并優(yōu)化出各種船舶主船體、上層建筑和附體型線(xiàn)。Maxsurf軟件的多面特性允許在任何給定的設(shè)計(jì)里隨意進(jìn)行曲面建模，并能創(chuàng)建出諸多的船體結(jié)構(gòu)。輔以流體靜力學(xué)，則能夠進(jìn)行船型分析和確定船型參數(shù)[5]。本文主要使用型值表對(duì)游艇船體進(jìn)行數(shù)值化曲面建模，對(duì)Maxsurf在游艇船體曲面建模中的應(yīng)用作簡(jiǎn)單的介紹。

(一)數(shù)據(jù)預(yù)處理。使用型值表數(shù)值化建模的第一步就是對(duì)游艇型值表進(jìn)行一系列的處理。首先，在excel表格中將型值表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維空間中船體曲面的點(diǎn)的坐標(biāo)，并按照Maxsurf中標(biāo)記(Marker)表格的格式建立TXT文檔，如圖1所示。其中第一列為站號(hào)，第二列為該站號(hào)離原點(diǎn)的距離，第三列為型寬值，第四列為型深值。在建立TXT文檔時(shí)，需特別注意單位的轉(zhuǎn)換。

(二)導(dǎo)入和整理標(biāo)記(Markers)。啟動(dòng)Maxsurf20中的Modeler advanced Markers模塊，打開(kāi)Marker窗口，點(diǎn)擊”File”→“Open Design”，選擇建立好的TXT文檔，導(dǎo)入標(biāo)記(Marker)，如圖2所示。

圖2 游艇的型值標(biāo)記點(diǎn)

打開(kāi)Perspective窗口，就可以得到一系列的型值標(biāo)記點(diǎn)。選擇全部標(biāo)記點(diǎn)，然后在菜單欄中選擇“Markers”→“sort markers within station”和“group markers by station”對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行整理，如圖3所示。

圖3 整理后的標(biāo)記點(diǎn)

(三)生成曲線(xiàn)(Curves)。選中所有標(biāo)記點(diǎn)，在菜單欄中選擇“Curves”→“fit curves to markers station”，曲線(xiàn)的光順度(Stiffness)設(shè)定為“2(linear)”，按站位生成曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 游艇表面曲線(xiàn)

本文中的游艇因有較明顯的折角，需對(duì)生成的曲線(xiàn)作打斷處理，選中折角處的控制點(diǎn)，然后在菜單欄中選擇“Curves”→“break curve”打斷曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 打斷處理后的曲線(xiàn)

(四)生成曲面(Surfaces)。由曲線(xiàn)生成曲面是船舶曲面建模的關(guān)鍵所在，工作量也是最大的，生成曲面時(shí)請(qǐng)務(wù)必細(xì)致認(rèn)真耐心。

本文將游艇曲面分四個(gè)曲面生成。第一，選中生成第一個(gè)面的曲線(xiàn)，需要特別注意的是選擇曲線(xiàn)時(shí)要單向順次選擇曲線(xiàn)，否則影響后面生成的曲面的形狀。第二，在菜單欄中選擇“surfaces”→“skin curves”，本文中的游艇共有10站，則添加10個(gè)控制點(diǎn)(添加控制點(diǎn)的數(shù)量與站位數(shù)量相等)，將光順度(stiffness)設(shè)定為“2(linear)”，生成第一個(gè)曲面，如圖6所示。重復(fù)上述步驟生成其它三個(gè)曲面。第三，改變曲面的光順度，移動(dòng)控制點(diǎn)調(diào)整曲面，使曲面盡量與曲線(xiàn)重合。第四，在菜單欄中選擇“surfaces”→“join surfaces”縫合曲面，完成游艇曲面建模，如圖7所示。

圖6 生成曲面

圖7 游艇船體曲面模型

四、結(jié)語(yǔ)

由于maxsurf的modeler模塊使用真的三維NURBS曲面建模方法進(jìn)行船體曲面建模，這極大地提高了游艇船體外型設(shè)計(jì)的速度。而且Maxsurf是擁有一套非常完整的適用于各種船舶設(shè)計(jì)、分析和建造的計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)和建造軟件，可將在Modeler模塊中建好的模型直接導(dǎo)入Maxsurf的其他模塊中進(jìn)行靜力學(xué)和船舶動(dòng)力學(xué)計(jì)算，有助于設(shè)設(shè)計(jì)師高效精確地完成船舶設(shè)計(jì)。目前，Maxsurf軟件分布在澳大利亞、中國(guó)、日本、德國(guó)、荷蘭、新加坡、美國(guó)等國(guó)家的1000多個(gè)船舶設(shè)計(jì)和建造用戶(hù)，在各種船舶設(shè)計(jì)和建造領(lǐng)域都得到了非常普遍的應(yīng)用。