主船體數(shù)字化設計與分段測量數(shù)據(jù)匹配方法研究.pdf

1、船舶設計與建造的質(zhì)量決定了船舶安全性、經(jīng)濟性和功能性等性能，船舶設計與建造的效率是影響船舶開發(fā)周期的關鍵。面對船舶的日趨多樣化和復雜化，船東需求不斷提高，企業(yè)競爭不斷加劇，傳統(tǒng)的船舶CAD/CAM技術已經(jīng)不能完全滿足先進設計制造與現(xiàn)代造船市場發(fā)展的要求，在國際造船市場競爭中，各船舶企業(yè)必須提高船舶開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，保證設計與建造的質(zhì)量，降低成本以取得競爭優(yōu)勢。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字化造船已經(jīng)成為船舶工業(yè)的研究熱點，為船舶設計制

2、造領域帶來了新的發(fā)展模式與技術支持，成為造船企業(yè)利用數(shù)字化技術支持和促進“設計、建造一體化”現(xiàn)代造船模式發(fā)展的數(shù)字化平臺。數(shù)字化造船的實施，已成為造船企業(yè)提高核心競爭力的重要手段。應用數(shù)字化技術提高船舶設計效率和建造質(zhì)量，縮短船舶開發(fā)周期，是本文研究的出發(fā)點。
　　數(shù)字化造船貫穿整個造船全生命周期，涉及范疇廣泛，本文針對我國目前船舶行業(yè)的具體情況和發(fā)展需要，以實現(xiàn)船舶快速設計制造為目標，以減少工時、提高設備使用效率、增大經(jīng)濟效益為

3、具體要求，重點研究主船體數(shù)字化設計與分段測量數(shù)據(jù)匹配方法。具體研究內(nèi)容如下:
　　對于主船體數(shù)字化三維設計，船體曲面設計是基礎。為使船型設計不再局限于母型的束縛，能夠根據(jù)設計參數(shù)快速生成光順的船體曲面，基于對船體曲線特征的分析，給出了船型具體的設計參數(shù)，提出了利用能量優(yōu)化法，以船體曲線曲面的曲率平方和最小為目標函數(shù)，求解基于NURBS表達的船體曲面光順設計方法。該方法可以在插值點、導矢、曲率、面積及形心等相關約束下，調(diào)整船體曲線的

4、基本形狀特征，保證船體曲面的光順性，實現(xiàn)船體曲面的NURBS表達。建立的船體曲面可用于分艙和結構設計。
　　在船體曲面的基礎上進行分艙設計，提出了一種自頂向下的船體參數(shù)化分艙方法，利用艙壁位置參數(shù)以及內(nèi)殼的折點位置參數(shù)驅動生成分艙理論面，再用分艙理論面切割主船體，利用非流形造型技術及其集合運算生成艙室實體模型，再將分艙約束要求與艙室模型相鏈接，以約束知識指導分艙方案優(yōu)化修正，進而獲得滿足全部約束的分艙方案并計算艙容要素。該方法降低

5、了艙室定義階段的復雜性，直觀地體現(xiàn)出設計思想，能快速實現(xiàn)船舶分艙及艙容計算。
　　以建立的船體曲面及艙室模型為結構設計背景，提出了基于知識的船體結構快速設計方法，引入船體結構知識本體的概念，將知識工程原理和參數(shù)化技術相結合，建立了船體結構設計知識庫，實現(xiàn)船體結構三維快速優(yōu)化設計。設計中結構構件位置通過位置參數(shù)驅動生成，構件尺寸通過規(guī)范推理法和實例推理法獲得，對主要結構采用量子行為遺傳算法進行優(yōu)化。該方法將設計知識嵌入到船體結構知識

6、本體中，既有助于設計知識的保留和再利用，又能實現(xiàn)對設計結果的自動檢查，進而快速獲得合理的船體結構。建立的三維結構模型可作為面向全生命周期的船舶數(shù)字模型，精度造船階段也可使用。
　　在船體數(shù)字模型的基礎上，研究基于3D模型的數(shù)字化精度造船關鍵技術，主要研究了船體分段快速測量分析技術和快速模擬搭載技術。分段測量分析是精度造船的重要環(huán)節(jié)。使用全站儀可以快速、方便、準確地獲得船體分段建造數(shù)據(jù)，在計算機3D可視化環(huán)境中將測量點集與3D模型的

7、對應設計點集進行匹配對比，是數(shù)字化精度造船所采用的分段測量分析模式。本文利用主元分析(PCA)法對測量點集進行粗匹配，利用搜索最近點法確定對應點對，再利用歐拉理論對測量點集進行平移和旋轉，使分段測量點集與設計點集匹配最優(yōu)。該方法無需明確測量點與設計點的對應關系，能自動快速匹配二者，給出船體分段建造精度分析結果，為后續(xù)快速模擬搭載提供了依據(jù)?？焖倌M搭載方面，提出了自動快速獲得搭載分段最佳搭載定位位置的算法。該算法利用權值向量實現(xiàn)對不同方

8、向上精度要求的誤差分配，利用多目標優(yōu)化法，把水平度、垂直度、平面度等相關搭載工程約束引入到優(yōu)化目標函數(shù)中，然后求解非線性多目標優(yōu)化模型進而得出分段最佳定位結果，給出最合理的搭載方案。該定位結果有助于搭載施工，縮短了搭載時間。
　　綜上所述，本文以數(shù)字化造船中的主船體數(shù)字化設計與分段測量數(shù)據(jù)匹配方法為主要研究內(nèi)容，給出了基于數(shù)字化技術的船型設計、分艙設計、結構設計、測量分析和模擬搭載的實現(xiàn)方法，期望該研究有助于數(shù)字化快速造船理論的研