船舶计算机辅助设计1.ppt

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1、船舶计算机辅助设计,设计软件,CAD,CAE,CAM,第一章 船舶计算机辅助设计系统的总体概念,第一节 概述,CAD,CAD Computer Aided Design（计算机辅助设计）,即 人机器 最好的结合 将人和机器混合编在解题专业组中的一种技术，从而使人和机器的最好特性联系起来。,人的最好特性： 具有逻辑推理、判断、图形识别、学习、联想思维、表达,计算机的特性： 高速度、高精度、存储量大、不疲劳、不忘记、不出错、快速传递、显示数据、曲线和图形。,通过“人机交互技术”取长补短,交互 (Interaction) : 人和计算机之间直接和连续的信息交流。 系统（System）：若干相同或相关

2、的事物按一定秩序和内部联系组合而成的整体。 组成系统的事物间不是简单、机械地重复。必须按一定规律有机地组合成一个完美整体：每个组成部分可以是一个简单事物，也可以是一个较小的简单系统,计算机辅助设计系统组成,CAE,CAE Computer Aided Engineering（计算机辅助工程）,用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。,按研究对象分为：静态结构分析，动态分析； 按研究问题分为：线性问题，非线性问题,常用CAE软件 Ansys： 经典的CAE软件，国内应用

3、最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。 ADINA：具有强大的非线性功能，全球唯一能做直接流固耦合的软件，最为可靠地CAE软件 Abaqus：强大的非线性复杂动态问题求解器 NASTRAN：线性问题求解器,CAM,CAM Computer Aided Manufacturing（计算机辅助制造）,利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工艺内容，输出信息是加工时的运动轨迹和数控程序。,第二节 船舶CAD系统的总体概念,一、船舶CAD的组成: 由大量的数值计算、绘图和图形显示、数据库 三方面的功能搭配而成。 数值计算：各种计算方法和程式的计算 绘图和图形显

4、示：布置、型线、结构图样、 施工 . 数据库：是CAD的核心部分。提取，补充， 查询 ,二、船舶CAD的内容: 完备的CAD工程系统，包含着从船舶设计到生产的全部内容。 具备了传统的经验设计方法能力，同时具有现代的一切设计方法和能力（最优化设计，有限元分析和各种数值计算）都可以程序模块的形式存储起来，以便使CAD系统在执行过程中使用。 计算与绘图可以交互进行。三视图，透视图，剖面图等可让设计者确认。 计算结果和图形数据以及设计模型可存储调用。 对各方案进行各种特性分析，指标，性能各设计变量的灵敏度分析,三、船舶CAD的特征: CAD具备以下特征： 具有强有力的支撑数据库 具有丰富的程序库 具有

5、面向问题的语言造船专用操 作系统 可靠的硬件系统 较好的扩展，连网，更新的适应性,四、船舶CAD系统的任务与主要模块,1、主要任务 设计阶段： 报价和初步设计阶段 详细设计阶段 施工设计阶段。, 报价和初步设计阶段 以船东提出的要求为依据进行可靠性研究（如船的类型，用途，航区，载重量，航速，绕航力，船的主尺度等） 。初步设计、确定拟造船初步的所有基本数据，包括主尺度，功率要求，舱容，船体各组成部分的重量以及满足这些要求的估算成本。同时要编制说明书，绘制总布置图，主要设备布置图，编制船体，轮机与电气部分的主要设计清单，估算船舶报价。,详细设计阶段 型线设计，船舶静力学计算，推进性能计算，船模试验

6、池结果分析，船舯剖面图结构设计，重量计算，电力照明计算，舵设计，空调设计，下水计算，管系设计，总纵强度计算，结构分析，船舶运动分析，统计预报计算，实船试验结果分析。 施工设计阶段 零件编程，零件套料，外板展开，肋骨弯曲，弯管，板材成型。,2. 船舶CAD系统的主要模块 1）型线设计模块 型线自动生成和光顺（母型船改造法、数 学船型法） 此模块以数学方法为基础 2）总布置模块 对船舶舱容，上层建筑，通道以及主要设备装置，系统等进行全面规划和布局。 总布置设计中的特点： 大量逻辑运算代替数值计算 图形处理成分大,对机器硬件要求高 要求有大量的数据库和图形库支持 人机信息交流交互进行,3）结构设计分

7、析模块 对结构形式，构造布局及结构的强度进行分析和优化。 是船舶设计中非常复杂的问题，它一般大型结构有限元分析作为基础再辅以优化方法来进行。主要基础是固体力学的内容。 4）其他模块： 静力学：稳性，抗沉性 航速计算，螺旋桨设计 耐波性计算，操纵性预报 管系布置，电路设计等。 各部信息互相传递和制约,3.国内外典型船舶CAD/CAM集成系统,各国争相研制,集成系统首先从CAM方面开发，再向CAD方面 延拓,较为著名的系统：,TRIBON（瑞典）,FORAN（西班牙）,SPADES（美国）,BRITSHIPS 和 GODOESS（英国）,HICAS 和 SHIPS（日本）,MasterShip（荷

8、兰）,MAXSURF（澳大利亚）,CADDS 5 (美国),国内的系统：,多用途干货船初步设计集成系统,油船初步设计集成系统,内河船CAD系统,HCS系统,CASIS系统,1、TRIBON（瑞典）系统简介,TRIBON是一套专门为满足造船和近海工程特殊需要而开发的设计和信息系统。它支持造船的全过程，确保高效率生产，并能处理从船舶概念设计到交船整个过程所需要的全部信息。现有260多家造船企业和船舶设计公司依赖于TRIBON信息系统。,TRIBON M3 的主要模块及功能介绍：,合同设计模块围绕规格书、设备选型、舾装、船体，从各种不同的设计方案做出最佳选择，将报价时所使用的设计信息直接应用到后续设

9、计中，无需重新进行设计，充分展示在造船方面的技术力量和丰富经验。,（1）合同设计模块,基本设计模块有效地支持基本设计阶段的工作，对船舶主要设备的选型、总体布置、系统设计、舱室布置和结构设计后，即可交给船东和船级社做最后认可。尤其对分包公司承包部分或全部设计，能提供更方便的功能。,（2）基本设计模块,详细设计模块将设计反映到生产信息中去，为设计师提供并行设计的便利，使他们能同时分别制作详细分仓布置图，定义设备系统，并进行钢结构构件细节的设计。,（3）详细设计模块,零件加工模块具有促进精确施工的实用功能，所生成的各种零件的生产信息均具有很高的标准，可以向生产设备提供相应的专门信息，并将控制信息输出

10、到加工工作的机器设备中。,（4）零件加工模块,装配（船体和舾装）模块支持完整的装配定义，可以更早更完整地开展予舾装，以多种方式支持装配工作；提供高度精确的高效焊接信息，自动生成装配图和指导文件；采用自动化生产机器人接口技术为装配工序输出特定的生产数据。,（5）装配（船体和舾装）模块,生产计划和工程执行模块对设计数据进行有序管理，可以与传统的计划系统一同使用，并成为传统系统的信息提供源；通过各种API，可将生产信息传递到计划和资源管理系统中；对物料采购的早期信息和后续改进严格控制，降低成本。,（6）生产计划和工程执行模块,TRIBON PIM 核心信息数据库模块是船舶设计、计划、施工和物料定义的

11、核心信息数据库，所有与在建船舶相关的数据都由此模块来组织和处理，能够满足同时进行多项施工和加工的需要。设计师、计划员、物料管理员和生产人员都可将此模块作为他们数据中心和自始至终的数据源。,（7）TRIBON PIM 核心信息数据库模块,2、CASIS 系统简介,这是我国原中船总公司在20世纪80年代中期组织研制的计算机辅助造船集成系统，是全国计算机应用的重要项目。该系统共包括12个子系统。,（1）船舶报价系统,（3）船舶结构设计系统,（4）船体建造系统,（5）船舶管系系统,（6）船舶电力系统,（7）船舶动力系统,（8）船舶螺旋桨设计与加工系统,（9）船舶轴系系统,（11）造船工业管理系统,（1

12、2）造船情报检索系统,（2）船舶初步设计系统,（10）船舶完工交船计算系 统,3、MasterShip（荷兰）软件简介,荷兰的 MasterShip 公司注册成立于1986年，成立不久便推出了基于当时最早 AutoCAD 版本的MasterShip 软件，该软件发展到现在已成为欧洲知名的船舶 CAD/CAM 软件之一。 MasterShip 软件是以 Ship 作为命令前缀的AutoCAD二次开发的船舶详细设计、生产设计专用软件，覆盖详细设计、放样、生产设计的全部过程，该软件分为以下四大模块。,在船体外形生成模块中，用户可以创建真正的3D船体模型，利用专门工具将每条型线的数据输入到AutoCA

13、D中，成为Polyline。结合加强了的Polyline工具、 Block工具以及 MasterShip 的几何数据GMA 文件编辑操作，可以实现真正2D的全自动光顺和3D光顺船体模型的生成，而这种光顺完全是建立在生产基础上的，所以之后基于 MasterShip的详细设计完全可以不必重新返工就连接到后续的生产设计。,（1）Shape Generator（船体外形生成模块）,船体部件生成模块直接调用MasterShip 强大的内部构件参数化模板库，直接将开孔、结构件、样板等工作一气呵成。全船的外板展开图、外板零件展开图也都是在这个模块里面实现的， MasterShip 可以基于3D模型做任意类型

14、的展开。这个模块的另一项功能是将所有的结构部件和外板展开零件转化成MasterShip的零件，赋予材质等信息，进入数据库的管理。值得一提的是，该零件自动转化的功能可以直接将AutoCAD绘制的结构图转化为零件，并且可以自动闭合边缘。,（2）Parts Generator （船体部件生成模块）,在这个模块中，用户可以使用具有选择性的工具选择某种材料、某个分段、某个厚度的一批零件，建立板件进行套料。后续的套料、切割路线的生成和优化、切割线的优化以及最终适合用户的CNC代码的生成都是一体化的快捷操作。,（3）NC Generator （数据切割代码生成模块）,此模块是以外部数据库的形式存储的，如材料

15、、厚度，以及指定部件的数量等等的重要数据信息。另外一些诸如质量之类的外部数据将由软件自动计算后加入该数据库，在AutoCAD中用户可以随时调用部件信息和查看报告，以及计算诸如重心等性能参数。,（4）数据管理模块,MasterShip软件优势在于AutoCAD良好的使用平台、强大的数据库基础，将生产技术设计与实际生产完全联系起来，大幅度节省成本和时间。,4、MAXSURF（澳大利亚）软件简介,MAXSURF 软件是由澳大利亚 Fomation Design Systems 公司为船舶设计和建造者开发的，是适用于各种船舶设计、分析和建造的一套非常完整的计算机辅助船舶设计和建造软件， MAXSURF

16、 软件目前在全球已拥有1000多位船舶设计和建造用户，在各种船舶设计和建造领域都得到了非常普遍的应用。 MAXSURF 软件系统包括以下几个模块。,此模块是MAXSURF软件包的核心部分。MAXSURF模块包括一整套用一个或多个真正的三维NURBS曲面（而非二维NURBS曲线），进行三维船体建模的工具，可使船舶设计师快速、精确地设计并优化出各种船舶的主船体、上层建筑和附体型线。,（1）MAXSURF（动态三维船体模型生成模块）,此模块是估算机动船舶阻力和有效功率的计算程序。HULLSPEED 通过自动量取MAXSURF模型中所选择的测量实体，测得计算阻力所需的各种性能参数，同时提供给设计者多种

17、可以选择的船体浮态、理论计算方法、推进系统效率、航速、船壳粗糙度、水特性、空气、附体阻力等参数，设计者可根据具体情况对这些参数进行调整，使计算结果更加准确可控。,（2）HULLSPEED（船舶阻力及有效功率计算模块）,此模块是一个功能强大完整和破损情况下的稳性分析模块。其主要分析计算功能包括：各种载况下的重力重心数据统计计算、平衡浮态计算、特种工况（下水、进坞、搁浅等）计算、舱室定义和划分、舱容计算、静水力计算、稳性插值曲线计算、标准稳性校核、大倾角稳性校核、破舱稳性校核、极限重心高度计算、总纵强度校核等。,（3）HYDROMAX（船舶水动力性能计算分析模块）,此模块是进行船舶结构详细设计的模

18、块。设计者可以在模块中参数化地定义主船体、上层建筑及附体的船体外板和内部的肋骨、肋板、纵骨及扶强材等结构；结合数据库中的标准材料和节点库，WORKSHOP能高精度、无余量的生成结构部件，包括桁材、骨材和板材的展开，这些部件的质量及重心位置、实际几何形状并建立分类及综合的统计数据库。,（4）WORKSHOP （船体结构生产放样及CAD图形生成模块）,此模块是一个综合的耐波性分析和运动预报模块。SEAKEEPER模块运用标准的Strip理论预测船舶运动，可在规定海域，对船舶各种装载情况下船舶重心的典型运动进行预报计算。,（5）SEAKEEPER（船舶耐波性能分析模块）,（6）PREFIT（空间实体

19、自动拟合模块）,此模块是专门用于帆船性能分析和运动预报的模块。帆船由于其在船体线性、航态、推进和操纵方式等方面与其他机动船的差异，使得适用于它的分析方法也比较特殊。SPAN应用类似于IMS VPP的计算理论，根据风的方向与速度，自动搜索计算出帆船相对于不同角度顺风和逆风的平衡运动状态，包括水阻力与风动力的平衡、航速和横倾角等。SPAN的分析结果，最后自动生成数据表格并绘制出航速风级的坐标图线。,（7）SPAN（帆船性能分析模块）,此模块是提供给设计者一系列的样条和曲面拟合以及精确的边界约束工具，可使拟合过程更加快捷和精确。该模块内置的型值表编辑器可以让设计者预览并修改型值，以便进行拟合工作。对

20、船舶修造企业而言，既可根据船东和设计单位的新造船设计,精确地生成新船整体的三维立体模型，又可根据待修船的实际破损情况，生成局部的修补方案模型。,此模块是可实现 MAXSURF 与其他分析系统相互进行静水力计算和分析数据传输的模块。通过HYDROLINK 模块，可与 MAXSURF 之间进行数据传输的系统有 SHCP，MHCP，IMS VPP，BMT，MICROSHIP， USNA，IMSA，NURBS，DXF，IGES 等。,（8）HYDROLINK（数据转换模块）,CADDS 5是世界上著名的机械设计软件之一，由美国CV公司推出。软件提供了强大的机械设计和各种专业设计功能，几乎世界上所有最大

21、的飞机、船舶和汽车产品的生产厂家都使用该软件。在造船行业，该软件是使用最广的软件之一。,3、CADDS 5（美国）软件简介,CADDS 5i分为两个基本包造型包和绘图包，以及一些选项模块。这样可以由用户根据自己需求配置自己的CADDS软件系统。 1.CADDS5i造型基本包 CADDS5i基本包为设计与制图提供了丰富的功能，同时它是其他任何选项模块比配基本模块。它建立在功能强大的混合建模核心基础上，并包括了一整套丰富的参数化的2D/3D、线框、表面和实体建模工具，以及广泛的相关尺寸定义和制图功能。 2.CADDS5i二维绘图基本包 CADDS5i二维绘图基本包提供了CADDS5i的制图功能，并

22、可以作为运行其他选项模块的基本模块。,3.CADDS5i 加工选项包 对于加工工程师来说，CADDS5i加工选项包提供了从2轴到5轴的铣削与车削的唯一的加工解决方案。这个功能强大的包采用了基于高效率方法的NC Builder加工软件来加工，不管是在生成线上还是线下的零件和整个部件。 4.CADDS5i布管与配件设计选项包 这个包提供了整个管路系统的设计和加工规划。包括管路和仪器布置图，管路布局和通过整个三维产品总装的三维管路走向路径。这个包包括了所需要的所有的配件工具，这样，工程师就可以增加托架和固定件来支撑所设计的管路。这个包不仅可以用于主管路的设计，还可以用于控制系统需要的那些地方，诸如传

23、动装置和液压装置。,5. CADDS5i 结构钢与船壳设计软件包 这个包包括一系列的工具，加快钢结构的设计，涉及包括船舶在内的焊接钢制产品的设计和加工所需的所有加工数据、绘图等。其独特的功能不但包括线性分段梁的设计，还包括弯曲和扭曲梁的设计。这个包包括了特定的功能，集中于船结构钢和船壳的设计和加工，包括工业特定绘图和加工输出。 6. CADDS5i电气及配件设计选项包 这个包提供了支持主要的船用电气系统开发设计的功能，其中包括电缆连接图的设计、三维电缆网络、三维电缆布线和电缆支撑结构的设计。这个程序同样支持多个并行用户，并通过一个数据库保持数据的一致性。这个数据库可以用于充当第三方缆线管理软件

24、的接口。,第二章 计算机辅助船型设计基础,第一节 概述,型线设计是基础,手工绘制,计算机的引进,总布置 、性能计算、 结构设计 、放样、 下料,用数学方法表达船型成为可能,细致而艰苦 困扰（光顺、协调、投影一致）,一、船型的数学表达方法, 对手工设计的小比例线型，用数学方法做原始型 值点的光顺逼近 数学放样, 根据系列船型的型值插值计算求得设计船的型线 系列船型法, 改造母型船线型 母型船改造法, 按已定主尺度和船型系数用数学方法构成光顺船 体曲面数学线型设计。,目前直接用 y = f（x，z） 来表示曲面方程较困难。,数学方法常分为两类：,曲线方法 和 曲面方法,曲线方法：是由一组按某种规律

25、变化的平行曲线构 成船体曲面。, 用 y - z 平面（横剖面）方程 y = f（z） 构造横剖线，用不同剖面的横剖线形成船体曲面。,按连接曲线函数的方向，可分为纵向函数法和垂向函数法两种,这里的 f（z），f（x）多采用多项式、函数和超越函数，但对 折角线型 、球鼻线型 较困难。, 用 y - x 平面（水线面）的方程 y =f （x） 构造水线面，用不同吃水下的水线形成船体曲面。,曲面方法：,用参数曲面方程来描述船体曲面，通常将船体曲面分块，然后按位置连续，切平面连续拼接起来，构成实用的船体曲线。,适用于折角线型，球鼻船型,二、数学船型的意义,1、摆脱设计中繁重的人工计算并提高了计算速度和

26、精度,2、缩短了结构设计过程，便于最佳结构设计。,3、有效地使用数控设备，减轻了工艺劳动强度。,4、数学型线的生成是船舶自动化设计与生产的 有力保证,5、数学船型促进了电子技术在船舶工业中的广 泛应用。,1、提高计算精度；,2、提高劳动生产率；,3、造船自动化。,总之，数学船型的意义在于：,第二节 数学线型设计方法（参数设计法）,根据设计要求的参数直接生成船体形状的方法。这种方法灵活性大，通过人机交互，对变量进行控制，不断变化船型和修改船型，来实现设计者的意图。,参数设计法主要有三种：,1、纵向函数法,2、垂向函数法,3、曲面法,一、纵向函数法,用数学方法表达各横剖线，同时将生成各横剖线的参数

27、用一些连续函数表示，从而构成了船体曲面，通常称为纵向函数法。,与以往传统设计方法接近。即，先形成横剖面面积曲线、设计水线、中纵剖面轮廓线、龙骨半宽线后，再生成各横剖线。,横剖面面积曲线、设计水线可以根据L、B、T、Cb、Cm、xc等为参数用数学方程式表达。,横剖面面积曲线的形状、性能的优劣目前仍凭经验确定。,选合适的横剖线方程表达首尾形状很难。,（一）横剖线方程,有两种形式：多项式 非代数方程,考虑到计算上的方便，通常将有因次 z-y 坐标系统转化为无因次 u-v 坐标系统，u 和v 是正交坐标系的纵坐标和横坐标。其中m1，建议取m=2 。i 为整数。,1、多项式：,（2.1）,式（2.1）中

28、加入平方根次项的目的主要是使横剖线底部与基线保持相切，即在 u = 0 处有一垂直切线并保持该处丰满的特征。而且保持多项式的优点，即确定系数的方程是线性的。,y,1,y1/T,v,u,z,y,t1,t2,t3,T,z1,x,y,设T 是横剖线曲线部分两端点之间的距离，则（2.1）式中,说明： 不同横剖线，对应不同的T 值。如图中的 t1、t2、t3, 未知数的个数为（n+2）所以确定它们需要n+2个方程式，即需要有（n+2）个参数，称为形状参数。,形状参数的个数确定了函数的最高幂值，即n等于参数的个数减2。,参数预先给定（依参数的资料和所希望的形状）,通常的参数：始点y0，终点y1，或任意位置

29、坐标值和导数，端点的圆弧半径R，横剖线所围面积W，面积的静矩M，面积的惯性矩。,给定参数后，求解线性方程组得： a 0，a 1，a 2，, ，表示始点的无因次坐标,，表示终点的无因次坐标, , , , 表示各变量的一阶和二阶导数。,由微分几何可得： 。 为曲率半径。,注意：,当u =0时， 与y 轴斜率相同。,W 横剖面半面积，M W 对y 轴的静矩。,例如用四个参数，求解二次横剖线方程,设：已知 ， ， （无因次）， 求横剖线方程。,由于参数为4个，故方程的次数为？。,即,根据已知，可证：,解联立方程组可得各个系数,请同学们求解a1和a2,将各系数代入原方程式得横剖线方程：,改写成如下形式：

30、,简写成：,仅与u有关，而与形状参数（ ）等无关，称之为影响函数。因为它们与对应的形状参数表示形状参数在曲线各部所占的成分。事实上，横剖线的型值就是分别由这些相互独立的参数与相应的影响函数乘积迭加而得的。,式中，,靠近尾部的曲线常有12个拐点（曲率半径为的点，二阶导数为零），故常用三或四次曲线。更高次数，由于拐点数难以控制，且形状参数过多。故很少采用。,用五个参数建立三次横剖线方程。,已知： 始点坐标： 终点坐标： 始点处曲率半径R ： 横剖线所围面积w ： 静矩M：,三次横剖线方程为：,按上述五个已知条件可列出五个方程：,只要五个参数y0、R、y1、W、M一经确定，解之可得：,代入原方程,则

31、可得 三次横剖线方程,适当调节形状参数，可得到不同形状的横剖线。,所得方程为：,式中，,用六个参数建立四次横剖线方程：,已知：, 始点坐标：, 终点坐标：, 始点处曲率半径R：, 设计水线处横剖线的一阶导数, 设计水线处横剖线的二阶导数, 横剖面面积w；,解线性方程组可得：,代入原式后化简得：,式中：,将u 按一定步长在0.01.0之间变化取值，则可制成计算表格供使用（计算机编程计算）。为了比较各影响函数对横剖线影响的大小可画出影响函数曲线。,f0,fv0,fv1,fv1,fv1,ff,由上图可见，面积参数最敏感，R的作用主要影响起点的圆势。这些参数是沿船长变化的，即为X/L的函数。则曲面方程

32、可表达为：,式中T 为吃水，是常数。而 只表示函数关系，不是相乘；方括号中为影响函数,只与Z有关。,在首尾柱区，由于横剖线下端距基线的距离不为零，而是沿X 方向变化，因此不能直接应用上式,应进行改写。,注：此时， , 为首（或尾）柱线， 也是 x 的函数，则上式中的,可改写为：,则有,而,也相应改为：,则曲面方程变为：,若令,同理，,用多项式表达横剖线的优缺点：,优点：1、可准确进行微分和积分，准确计算几何特征。,2、确定系数的方程为线性求解方便。,缺点：1、所需形状参数较多。,2、参数之间的配合不当时，横剖线常出现波动以及多余拐点，在具有可靠的型船资料条件下，用多项式表达横剖线是简便的。,作

33、业 :,已知某船7条横剖线（A、B、C、D、E、F、G），形状参数如下表所示，试画出用多项式表达的横剖线。,2、非代数方程：,无因次化坐标系如右图所示：,横剖线方程为：,其中，,Zs(x),y0,y1,u,T,v,z,y,1,1,Zs(x),y0,y1,u,T,v,z,y,1,1,满足边界条件：,L、m 为控制变量：,L 调节UV 度，取1.03.0，,L,V,L,U,m 调节反凹程度，前后体不同：,对后体：,C 取 0.30.7，x 的变化范围为01,对前体：m = 1 + c ，c 值同上,a 取00.3，,n 形状参数，其大小由横剖面面积W (x)决定。,由 可知：表示一条横剖线需由三个

34、边界条件和一个形状参数。,n 为大于1的实数，具体计算由迭代法得到。,(注意：v 中含有n),恢复到有量纲的值：,y = ( y1 - y0 ) v + y0,在满足边界条件和已定横剖线面积的情况下，该横剖线方程还有一定的自由度，通过控制变量的适当调整，可以得到不同的横剖线形状，这就使线型设计者有了灵活选择的余地。,即三个边界参数：,，,，,一个形状参数：,即横剖面面积,四个参数沿船长方向改变;,2. 它们的变化规律即为纵向函数 ;,3. 船体曲面方程：,二、纵向函数,由上节可见，确定横剖线的形状，需要4个纵向函数：,龙骨半宽：,设计水线半宽：,中纵轮廓：,横剖面面积：,不仅沿船长光顺，且要求

35、 互相协调。（非常重要）,纵向函数的形成：,设计水线半宽,设计参数：, 半宽B, 进流角1, 去流角2, 漂心纵向位置 xf, 设计水线面面积系数Cn,前体平行中体长度L2,后体平行中体长度L1,最大剖面离船舯距离Xm,前端半宽Bf,后端半宽Bs,首先按最大剖面位置分成前、后体两部分，仅表示曲线部分，平行中体部分除外。坐标原点在最大剖面位置，无因次化：,B,1,2,xf,L2,L1,Bf,Bs,Ls,Lf,式中：,满足边界条件： ，在原点处的一阶 导数,式中n、m 为两个参数，n 由下式确定：,m 的前后体参数m1，m2 通过迭代确定：,令,前后体的水线面面积分别为：,则水线面面积系数：,令,

36、则水线面面积漂心距舯的距离为：,前后体参数m1, m2 在满足设计参数Xf 的精度下，迭代求得。然后换为有因次式，则X处的设计水线半宽y1(x)为：,不仅能表达水线，也可以表达横剖面面积曲线等。通过n,m 两个参数不同组合，可得不同面积系数和形心的曲线。,2. 中纵剖面轮廓线,由首尾轮廓线和龙骨线组成。,龙骨线表达式：,式中，, 原始纵倾角，当,= 0 时，,首尾轮廓种类较多，视用途和性能而各不相同。,首轮廓线,由圆弧（或二次曲线）和直线连接而成，要求五个形状参数。,1）首柱倾斜角1 2）首柱底升角2 3）圆弧切点到首垂线距离Ps 4）首柱线升起点到首垂线距离Pp 5）外飘距离La.,1,2,

37、Ps,Pp,La,z,x,R,T,设用圆弧连接， 可求R,则GB的直线方程为：,1,2,Ps,Pp,z,R,G,C,B,x,O,T,T ,xB,(1),CB的直线方程为：,(2),令 式（1）、（2）相等 可求得B 点处的X坐标值xB，即,圆弧半径R 为:,1,2,Ps,Pp,z,R,G,C,B,x,O,xB,（2）,3,外飘：根据连接处的型值、斜率相等。即可求得二次曲线方程。则此首柱线可求。即 为一分段曲线。,1,2,3,（2）尾轮廓线：,方尾: 5个形状参数,G,A,B,E,F,C,z,x,d,T,0,Zu,尾轮廓线的起点到尾垂线 距离C;,尾轮廓线的末端距尾垂线d;,尾轮廓线的末端与水线

38、夹角,；,尾封板夹角 ;,尾轮廓线的曲线部分末端离尾垂线的距离F.,由直线AB、AG和曲线BE组成，BE采用抛物线如下式：,（坐标原点在A.P.处）,A.P.,式中,1,2,N为参数，根据在 处，斜率等于 得：,巡洋舰尾：六个形状参数。,直线ED与直线CB交点A到轴线距离a1,下切点到轴线距离a2,E点到基线的距离TE,F点到基线的距离TF,E点切线与水平线夹角,F点切线与垂直线夹角,由尾轮廓线草图 提供，由直线、 圆弧、二次曲线 来描述。,F,二次曲线由下式确定：,式中: xG 、TG 是EG、 FG两切线的交 点坐标。,P弯曲系数， 当P=1时为抛物线， 0P1时为椭圆，,按照设计者对尾轮

39、廓线的要求，由控制变量加以调节。按上式即可求得二次曲线段中不同x 处的Zs(x )值，计算直线段和圆弧段的Zs(x )值的方法很简单，不再详述。,3.龙骨首尾柱半宽线,由直线和抛物线组成如图， 由下式表示：,式中,BK,yK,LK,L0,y,x,n 由控制变量加以调节， n 的初值取2。,（若令,，则有,）,4、横剖面面积曲线 ：（最重要的一条曲线）,影响：船体性能和外形。,端部形状：直线、微凸、微凹等。,L,LF,LS,xB,wmax,w1,w2,x1,x2,其形状与设计水线、首尾轮廓等形状密切相关，必须协调配合。,为使线型在首尾端处光顺协调，在形成横剖面面积曲线时，对首尾柱与龙骨线交点处的

40、面积w1、w2加以控制，w1、w2分别考虑了设计水线和首尾柱的影响，由下式决定：,式中：, 首尾柱与设计水线相交处半宽；, 首尾柱与龙骨线相交处龙骨半宽；, 最大横剖面龙骨半宽；, 控制变量，对于中速船 取 0.50.7，初值取0.6； 取 0.81.2，初值取1.0。,由上式可知，首尾柱交点的位置 、 对 、 影响最大，其次是 、 即设计水线半宽， 而龙骨半宽 影响最小。,横剖面面积曲线由下列参数确定：,最大横剖面面积wmax； 首柱交点处面积w1； 尾柱交点处面积w2 浮心纵向位置xB 棱形系数Cp。,L,LF,LS,xB,wmax,w1,w2,x1,x2,横剖面面积曲线表达式可和设计水线

41、一样，采用非代数方程。为了便于计算和控制形状，现介绍用多项式链表达，步骤如下：,1、求前后体棱形系数：,以wmax的位置为界，分为前后两部分。,经验公式：,式中：, 前体棱形系数；, 后体棱形系数；, 总排水体积（ ）, 前体排水体积（ ）, 前、后体棱形系数的分配系数，初值,=1。,2、前后体面积曲线表达式：（采用三段三次多项式）。,式中：, 平行中体长度；, 取 ；, 取首柱线与基线交点或切点处；,为了方便起见，应改成无因次表达式。,改成无因次表达式：,式中：,3、求系数 。,12个未知数，需12个条件，列出12个方程组如下：,1） 始点横剖面面积：（即最大横剖面点）,得,2） 始点一阶导

42、数：,得,3） 始点二阶导数：,得,4）末点横剖面面积：,得,5）第一连接点x1 处面积相等,得：,6）第一个连结点x1 处一阶导数相等：,得：,7）第一个连结点x1 处二阶导数相等：,得：,8）第二个连接点x2 处面积相等:,得：,9）第二个连接点X2处一阶导数相等,得：,10）第二个连接点X2处二阶导数相等,得：,11）第二个连接点X2处,得：,12）前体面积曲线所围的面积即前体的排水体积VF 或Cpf（无因次）：,解上述12个线性方程组，它的系数和常数项矩阵分别为：,从而 与船型系数有了联系。,解出系数 的值后，即可求得重新分配前体面积曲线，后体面积曲线也以同样方法求得。,检查xB是否与

43、要求相等，否则，重新分配Cpf和Cpa重复23次即可达到允许误差范围内。,需要两个船型系数： Cp xB,转换成有因次：,其他纵向函数：,与船型系数关系不大，故常采用船型资料加以修改。,某船前半体的 曲线。,R(x),y1(x),y1(x),三、水上部分,首先形成首尾最高点水线半宽B1(x )，其形成方法与设计水线类似。,水上水下的连接,水上部分曲线，根据不同的需要可采用三次多项式或二次多项式：,三次多项式：,二次多项式:,连接条件：函数值相等，一阶导数相等。即，在设计水线处：,其系数如下：,设计水线半宽（注意是x的函数）,设计水线一阶导数,设计水线半宽（注意是x的函数）,（三次）,（二次）,

44、式中: Z1 最高水线到设计水线的距离。 Z2 控制变量，控制三次曲线连接时不产生多余拐点，初值可取 2 。,系数确定后，即可算出水上部分任意Z处的横剖线。,2.甲板中线高度,考虑到工艺上的方便，防止由甲板边线转成甲板中线时产生倒吊现象，先形成甲板中线，然后按梁拱大小与横剖线（水上部分）相交得到甲板边线。,甲板中线前后体都用抛物线表示,Fw,Fs,Lw,Ls,H,L,前体：,后体：,式中：,n 控制变量，控制脊弧弯曲的程度，初值可取2。,利用少量设计参数和形状参数，通过控制变量的n次调整、重复计算，所产生的船体型线与实用型线较为接近。 纵向函数法与传统的手工线型方法接近，对排水量浮心纵向位置，

45、方形系数，棱形系数等都能精确达到设计要求，但对双拐点线型尚有困难。,开始,确定前后体横剖线坐标,形成y0(x),计算y1(x),计算首尾轮廓线,计算横剖面面积曲线,计算水下部分横剖线型值,调整控制变量,调整设计参数,计算水上部分型值,计算甲板中心线,甲板面积,计算最高水线平面,横剖线型值,静水性能数据,结束,是,否,是,否,不满足,满足,二、吃水函数法,用数学方法表达个水线，同时将产生各水线的参数用一些连续函数来表示。从而构成船体曲面的方法通常称为吃水函数法。,水线方程常用多项式和非代数方程,第三章 计算机辅助总布置设计,一、计算机辅助总布置设计的工作特点,从国内外已有的计算机总布置设计子系统

46、的使用结果看，通过分析船舶总布置设计的全过程，实现计算机辅助船舶总布置设计，归纳起来有以下几个特点。,因此，总布置的辅助设计与其他环节的设计不相同，解决问题的出发点也不相同，大致有以下三个方面。,（1）大量逻辑判别替代了数值计算,（2）图形处理的功能强,（3）信息量大，面广，具备数据库和图形库的功能,（4）人机交互的重要性非常突出，许多设计中的矛盾冲突难以用程序方式来解决，在计算机智能化尚未达到相当水平之前，需要设计者根据具体情况来做出判断，随时提供信息和指令。,采用数据库技术可以大大简化输入数据的工作量，总布置中大量的数据来自于其他各个设计环节，而总布置得到的结果又将为其他环节所应用，这种数

47、据的传输一定要由计算机来完成，否则将失去辅助设计的优点，反而会十分繁琐。,1、采用数据库技术,尽管总布置设计中的数学问题不太明显，但为了发挥计算机的长处，就更有必要深入研究每一步骤的数学特点，放弃妨碍设计自动化的某些习惯做法，尽可能建立起合理的数学模型，开拓新的计算方法。,2、模型数学化,由于总布置设计的因素极其复杂，因此，对他的自动化程度应该有正确的理解，即充分发挥人和计算机两个积极性，不能强求一切由计算机来完成。比如舱室的布置，人工作并不困难，而用计算机程序来做却很难编制。正因为这样，计算机辅助总布置设计子程序中的许多模块都设置着一些人工干预的接口，让人们有可能随时选择。,3、合理自动化,

48、二、计算机辅助总布置设计的处理方法,目前，国内外CAAD的基本处理方法大致可以分为两部分：以数据库为核心的系统处理分析和人机交互设计。综合这两部分的功能，就可以进行CAAD工作。,总布置涉及大量的数据，离不开数据库技术。向CAAD 提供的数据可以分为两种：一种是由其他设计环节向CAAD 提供的数据，它们是一种全船性的数据，与具体舱室关系不大，例如，船型子系统提供了船体型值表、肋骨型值；另一种是总布置设计所需要的有关布置的设计，这些数据常常是设计者直接向CAAD 提供的，它们基本上都与舱室有关，例如：舱室的位置、容积，货物、设备等在船上的布置要求。另外，总布置设计的结果也往往以舱室为单位提供数据。因此，在组织CAAD的数据库时必须考虑到舱室这个因素。,1、以数据库为核心的系