CN109726359B - 一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法 - Google Patents

一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，包括如下步骤：步骤S1，计算机终端将船体首部外飘砰击范围内的船体外壳离散为多个空间四边形；步骤S2，计算每一个空间四边形的各个顶点对应的顶点属性；步骤S3，将每一个空间四边形划分为对应的两个三角形，并在每一个三角形内部确定需要作参数计算的多个计算点；步骤S4，基于各顶点属性计算每一个顶点对应的第一设计参数指标和每一个计算点对应的第二设计参数指标；步骤S5，按照预设的渲染方法，将每一个顶点和每一个计算点及其各自对应的第一设计参数指标和第二设计参数指标显示在计算机终端屏幕上，本发明原理简单，计算速度快，能够直观显示船舶的各项设计参数。

Description

一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法
技术领域
本发明涉及一种船体首部外飘砰击计算方法，尤其涉及一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法。
背景技术
砰击是一种波浪与船体的激烈冲击现象，主要发生于船首部。砰击是由于船舶在恶劣海况中剧烈纵摇，船首露出水面，又以相当大的相对速度进入水中而造成。砰击使船体首部受到很大的冲击压力，冲击压力则常可使船体首部结构严重变形或破坏，并引起较大的船体纵向弯矩。
传统的船体首部砰击计算方法依靠设计师手动量取砰击区域内不同位置处的局部水线角、船首冲击角度等数据，并参考相应规范计算出首部砰击载荷，获取某一船体板格内的最大压力承受值后计算出各项设计参数指标。这些设计参数指标通常采用办公文档进行数据保存。传统的通过手工量取数据的方式计算船体设计的各项参数指标极大降低了工作效率，而且船舶设计师量取的各项数据无法直观的表征船体的三维结构，比如无法直观的表征船体外壳的法向量、船体外板板后的分布规律等。
另外，虽然现有技术中存在着一些船首砰击计算方法，但这些计算方法的计算原理复杂，计算耗时较长。
发明内容
鉴于上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种原理简单，计算速度较快，且能够直观显示计算结果的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，以解决上述技术问题。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是，提供一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，运行于计算机终端上，包括如下步骤：
步骤S1，所述计算机终端依据输入的船体外壳型线，并通过预设的离散化方法，将船体首部外飘砰击范围内的船体外壳离散为多个空间四边形；
步骤S2，所述计算机终端根据预设的第一计算方法，计算每一个所述空间四边形的每一个顶点对应的顶点属性以及所述船体外壳型线对应的型值；
步骤S3，所述计算机终端按照预设的划分方法，将每一个所述空间四边形划分为对应的两个三角形，并在每一个所述三角形的内部确定需要作设计参数计算的多个计算点；
步骤S4，所述计算机终端，根据于所述步骤S2接收的各所述顶点分别对应的顶点属性以及所述船体外壳型线对应的型值，并通过预设的第二计算方法，并行计算得到每一个所述顶点对应的第一设计参数指标和每一个所述三角形内部各所述计算点对应的第二设计参数指标；
步骤S5，所述计算机终端内部的图形处理器，按照预设的渲染方法，将每一个所述顶点及其对应的第一设计参数指标和每一个所述计算点及其对应的第二设计参数指标形成渲染图形后显示于所述计算机终端的屏幕上，以作为计算结果。
作为本发明的一种优选方案，所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，还包括，
步骤S6，所述计算机终端的所述图形处理器将所述步骤S5中的所述渲染图形保存到所述计算机终端的存储器中；
所述计算机终端内还包括一用户交互模块，所述用户交互模块连接所述存储器，提供给用户在所述计算机终端的屏幕上点选所述渲染图形中的任意点时，获取于所述存储器中存储的对应被点选的所述任意点或距离被点选的所述任意点最近的所述顶点对应的所述第一设计参数指标或所述计算点对应的所述第二设计参数指标，并显示在所述计算机终端的屏幕上。
作为本发明的一种优选方案，所述船体外壳型线包括水线和横剖面线。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，每一个所述顶点的所述顶点属性包括每一个所述顶点的坐标值和对应的顶点法向量；
所述船体外壳型线的型值为决定型线空间位置的各点坐标值。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，所述计算机终端根据预设的所述第一计算方法计算所述空间四边形的各所述顶点对应的顶点法向量的方法，具体包括如下步骤：
步骤S21，所述计算机终端获取包含有一指定的所述顶点的所有所述空间四边形；
步骤S22，在每一个包含有指定的所述顶点的所有所述空间四边形中，将指定的所述顶点和分别与指定的所述顶点相连的两个所述顶点相连形成所述三角形；
步骤S23，所述计算机终端计算于所述步骤S22中得到的每一个所述三角形对应的法向量；
步骤S24，根据指定的所述顶点在各所述三角形中对应的内角大小，将所述步骤S23中得到的每一个所述三角形对应的法向量取加权平均值得到指定的所述顶点对应的顶点法向量；
步骤S25，重复步骤S21-步骤S24，直至完成计算所有所述空间四边形中的所有所述顶点对应的顶点法向量。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中所述的离散化方法，包括如下步骤：
步骤A1，将上下设置于船体外壳上的各条所述水线分别按照平分方式，划分为数量相同的线段，然后沿船首至船尾方向依次记录各条所述水线上的平分节点；
步骤A2，将每一条所述水线上的顺序相同的所述平分节点按高度方向依次相连形成多条等参线；各所述水线和各所述等参线相互分割形成多个所述空间四边形。
作为本发明的一种优选方案，每一个所述空间四边形对应的网格大小均小于或等于200mm*200mm。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中的所述第一设计参数指标为各所述顶点各自所处位置的局部水线角、各所述顶点上的船首局部冲击角度以及从水平线连接至各所述顶点的切线的局部线型角度的一种或多种；
所述第二设计参数指标为所述三角形内部的各所述计算点各自所处位置的局部水线角、各所述计算点上的船首局部冲击角度以及从水平线连接至各所述计算点的切线的局部线型角度的一种或多种。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中，所述第二计算方法为重心坐标插值法，所述重心坐标插值法通过如下公式计算获得每一个所述三角形内部各所述计算点对应的所述第二设计参数指标：
p＝λ1a+λ2b+λ3c
其中，p用于表示所述第二设计参数指标；
a、b、c分别为一个所述三角形分别对应的三个顶点A、B、C的所述第一设计参数指标；
三角形PBC、三角形PCA和三角形PAB的面积之比为λ1：λ2：λ3，且λ1+λ2+λ3＝1；
P用于表示所述三角形内部的所述计算点。
作为本发明的一种优选方案，所述计算机终端通过以下公式计算得到每一个所述空间四边形的各个所述顶点和每一个所述三角形的各所述计算点对应的船体首部冲击设计压力：
Figure BDA0001893628060000041
其中，
PFB用于表示所述船体首部冲击设计压力；
fFB用于表示各所述顶点或各所述计算点的船体首部外张冲击压力的纵向分布系数；
Vim用于表示各所述顶点或各所述计算点的冲击速度；
γwl用于表示各所述顶点或各所述计算点的船首局部冲击角度；
CFB用于表示各所述顶点或各所述计算点的垂向位置系数。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中，所述并行计算过程在所述计算机终端内部的图形处理器中进行，然后在所述步骤S5中将并行结果直接进行渲染并显示在所述计算机终端的屏幕上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，
1、船体结构设计师无需重复手动量取船体的相关数据，所有的船体首部砰击区域的角度计算以及其他设计参数指标计算均在计算机终端上自动完成；
2、本发明计算原理简单，计算速度较快；
3、计算结果能够直观的显示在计算机终端的屏幕上，设计人员仅需点击屏幕上显示的船体相关位置，即可显示该船体位置对应的各项设计参数指标，计算结果显示直观明了。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法的方法流程图；
图2是本发明实施例二提供的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法的方法流程图；
图3是应用本发明实施例一或实施例二提供的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法计算所述空间四边形的各顶点对应的顶点法向量的方法流程图；
图4是应用本发明实施例一或实施例二提供的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法中的离散化方法将船体首部外飘砰击范围内的船体外壳离散为多个空间四边形的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例一：
请参照图1，本发明实施例一提供的一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，运行于计算机终端上，具体包括如下步骤：
步骤S1，所述计算机终端依据输入的船体外壳型线，并通过预设的离散化方法，将船体首部外飘砰击范围内的船体外壳离散为多个空间四边形；
多个所述空间四边形和所述船体外壳型线构成船体首部外飘砰击计算数据库；所述船体外壳型线包括水线和横剖面线，所述船体外壳型线可通过现有的图形处理软件处理形成。
步骤S2，所述计算机终端根据预设的第一计算方法，计算每一个所述空间四边形的每一个顶点对应的顶点属性以及所述船体外壳型线对应的型值；
每一个所述顶点的所述顶点属性包括每一个所述顶点的坐标值和对应的顶点法向量；
所述船体外壳型线的型值为决定型线空间位置的各点坐标值。
步骤S3，所述计算机终端按照预设的划分方法，将每一个所述空间四边形划分为对应的两个三角形，并在每一个所述三角形的内部确定需要作设计参数计算的多个计算点；
步骤S4，所述计算机终端，根据于所述步骤S2接收的各所述顶点分别对应的顶点属性以及所述船体外壳型线对应的性质，并通过预设的第二计算方法，并行计算得到每一个所述顶点对应的第一设计参数指标和每一个所述三角形内部各所述计算点对应的第二设计参数指标；
所述第一设计参数指标为各所述顶点各自所处位置的局部水线角、各所述顶点上的船首局部冲击角度以及从水平线连接至各所述顶点的切线的局部线型角度的一种或多种；
所述第二设计参数指标为所述三角形内部的各所述计算点各自所处位置的局部水线角、各所述计算点上的船首局部冲击角度以及从水平线连接至各所述计算点的切线的局部线型角度的一种或多种。
所述计算机终端基于所述第一设计参数指标和所述第二设计参数指标，并根据预设的所述第二计算方法进而计算得到船首冲击设计压力、船舷侧外板净厚度、骨材连同有效带板的有效净塑型剖面模数、骨材腹板净厚度、船体支撑构件净剖面模数以及船体支撑构件腹板净剪切面积等设计参数指标；
步骤S5，所述计算机终端内部的图形处理器，按照预设的渲染方法，将每一个所述顶点及其对应的第一设计参数指标和每一个所述计算点及其对应的第二设计参数指标形成渲染图形后显示于所述计算机终端的屏幕上，以作为计算结果。
具体而言，所述预设的渲染方法为，所述图形处理器中的着色器基于每一个所述顶点对应的不同的顶点属性以及各所述计算点对应的不同的计算点属性以及船体外壳型线的型值，使用不同的颜色和颜色深度对每一个所述空间四边形的每一个所述顶点和所述三角形内的各计算点进行区分后最终将图形经渲染显示到计算机终端的屏幕上。
于本发明实施例一的一种优选方案中，请参照图3，在所述步骤S2中，所述计算机终端根据预设的所述第一计算方法，计算每一个所述空间四边形的各所述顶点对应的顶点法向量的方法，具体包括如下步骤：
步骤S21，所述计算机终端获取包含有一指定的所述顶点的所有所述空间四边形；
步骤S22，在每一个包含有指定的所述顶点的所有所述空间四边形中，将指定的所述顶点和分别与指定的所述顶点相连的两个所述顶点相连形成所述三角形；
步骤S23，所述计算机终端计算于所述步骤S22中得到的每一个所述三角形对应的法向量；
步骤S24，根据指定的所述顶点在各所述三角形中对应的内角大小，将所述步骤S23中得到的每一个所述三角形对应的法向量取加权平均值得到指定的所述顶点对应的顶点法向量；
步骤S25，重复步骤S21-步骤S24，直至完成计算所有所述空间四边形中的所有所述顶点对应的顶点法向量。
请参照图4，所述步骤S1中所述的离散化方法，具体包括如下步骤：
步骤A1，将上下设置于船体外壳上的各条所述水线分别按照平分方式，划分为数量相同的线段，然后沿船首至船尾方向依次记录各条所述水线上的平分节点；比如在各条所述水线上记录第一节点、第二节点、第三节点……直至记录到最终的的第n节点；
步骤A2，将每一条所述水线上的顺序相同的平分节点按高度方向依次相连形成多条等参线；各所述水线和各所述等参线相互分割形成多个所述空间四边形。比如将每一条所述水线的第一节点上下连接形成分割各所述水线的第一等参线；然后以相同方法连接形成分割各所述水线的第二等参线、第三等参线……直至形成第n等参线；各所述水线和各所述等参线相互分割即形成多个所述空间四边形。
为了确保计算精度，每一个所述空间四边形对应的网格大小优选均小于或等于200mm*200m。
于本发明实施例一的一种优选方案中，所述步骤S4中，所述第二计算方法包括重心坐标插值法，所述重心坐标插值法通过如下公式计算获得每一个所述三角形内部各所述计算点对应的所述第二设计参数指标：
p＝λ1a+λ2b+λ3c
其中，
P用于表示所述第二设计参数指标，
a、b、c分别为一个所述三角形分别对应的三个顶点A、B、C的所述第一设计参数指标；
三角形PBC、三角形PCA和三角形PAB的面积之比为λ1：λ2：λ3，且λ1+λ2+λ3＝1；
P用于表示所述三角形内部的所述计算点。
于本发明实施例一的一种优选方案中，所述计算机终端通过以下公式计算得到每一个所述空间四边形的各个所述顶点和每一个所述三角形的各所述计算点对应的船体首部冲击设计压力：
Figure BDA0001893628060000081
其中，
PFB用于表示所述船体首部冲击设计压力；
fFB用于表示各所述顶点或各所述计算点的船体首部外张冲击压力的纵向分布系数；
Vim用于表示各所述顶点或各所述计算点的冲击速度；
γwl用于表示各所述顶点或各所述计算点的船首局部冲击角度；
CFB用于表示各所述顶点或各所述计算点的垂向位置系数。
于本发明实施例一的一种优选方案中，所述步骤S4中，所述并行计算过程在所述计算机终端内部的图形处理器中进行，然后在所述步骤S5中将并行结果直接进行渲染并显示在所述计算机终端的屏幕上。
另外需要说明的是，所述步骤S2中所述的利用所述第一计算方法计算每一个所述顶点对应的顶点属性中的每一个所述顶点的坐标值以及所述船体外壳型线的型值的方法为现有技术中的计算方法；所述步骤S4中利用所述的第二计算方法，并行计算每一个所述顶点对应的第一设计参数指标和每一个所述三角形内部各所述计算点对应的第二设计参数指标的方法同样为现有技术中的计算方法，在此不作详细阐述。
实施例二：
实施例二与实施例一的区别在于，请参照图2，本发明实施例二提供的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，还包括：
步骤S6，所述计算机终端的所述图形处理器将所述步骤S5中的所述渲染图形保存到所述计算机终端的存储器中；
所述计算机终端内还包括一用户交互模块，所述用户交互模块连接所述存储器，提供给用户在所述计算机终端的屏幕上点选所述渲染图形中的任意点时，获取于所述存储器中存储的对应被点选的所述任意点或距离被点选的所述任意点最近的所述顶点对应的所述第一设计参数指标或所述计算点对应的所述第二设计参数指标，并显示在所述计算机终端的屏幕上。
具体而言，用户可以通过鼠标点击或触摸的方式点选显示于所述计算机终端的屏幕上的船体三维模型的任意一个点位置，所述计算机终端的中央处理单元将用户输入的点选信号发送给所述用户交互模块，所述用户交互模块接收到所述点选信号后，在所述存储单元内检索得到对应该所述任意点或距离该所述任意点最近的所述顶点对应的所述第一设计参数指标或所述计算点对应的所述第二设计参数指标并显示在所述计算机终端的屏幕上，优选显示在该所述任意点位置附近。
综上所述，通过本发明提供的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，船体结构设计师无需重复手动量取船体的相关数据，所有的船体首部砰击区域的角度计算以及其他设计参数指标计算均在计算机终端上自动完成；本发明计算原理简单，计算速度较快，并且计算结果能够直观的显示在计算机终端的屏幕上，设计人员仅需点击屏幕上显示的船体相关位置，即可显示该船体位置对应的各项设计参数指标，计算结果显示直观明了。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，运行于计算机终端上，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，所述计算机终端依据输入的船体外壳型线，并通过预设的离散化方法，将船体首部外飘砰击范围内的船体外壳离散为多个空间四边形；
步骤S2，所述计算机终端根据预设的第一计算方法，计算每一个所述空间四边形的每一个顶点对应的顶点属性以及所述船体外壳型线对应的型值；
步骤S3，所述计算机终端按照预设的划分方法，将每一个所述空间四边形划分为对应的两个三角形，并在每一个所述三角形的内部确定需要作设计参数计算的多个计算点；
步骤S4，所述计算机终端，根据于所述步骤S2接收的各所述顶点分别对应的顶点属性以及所述船体外壳型线对应的型值，并通过预设的第二计算方法，并行计算得到每一个所述顶点对应的第一设计参数指标和每一个所述三角形内部各所述计算点对应的第二设计参数指标；
步骤S5，所述计算机终端内部的图形处理器，按照预设的渲染方法，将每一个所述顶点及其对应的第一设计参数指标和每一个所述计算点及其对应的第二设计参数指标形成渲染图形后显示于所述计算机终端的屏幕上，以作为计算结果；
所述步骤S4中，所述第二计算方法为重心坐标插值法，所述重心坐标插值法通过如下公式计算获得每一个所述三角形内部各所述计算点对应的所述第二设计参数指标：
p＝λ1a+λ2b+λ3c
其中，p用于表示所述第二设计参数指标；
a、b、c分别为一个所述三角形分别对应的三个顶点A、B、C的所述第一设计参数指标；三角形PBC、三角形PCA和三角形PAB的面积之比为λ1：λ2：λ3，且λ1+λ2+λ3＝1；
P用于表示所述三角形内部的所述计算点。
2.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，
还包括，
步骤S6，所述计算机终端的所述图形处理器将所述步骤S5中的所述渲染图形保存到所述计算机终端的存储器中；
所述计算机终端内还包括一用户交互模块，所述用户交互模块连接所述存储器，提供给用户在所述计算机终端的屏幕上点选所述渲染图形中的任意点时，获取于所述存储器中存储的对应被点选的所述任意点或距离被点选的所述任意点最近的所述顶点对应的所述第一设计参数指标或所述计算点对应的所述第二设计参数指标，并显示在所述计算机终端的屏幕上。
3.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，所述船体外壳型线包括水线和横剖面线。
4.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，
所述步骤S2中，每一个所述顶点的所述顶点属性包括每一个所述顶点的坐标值和对应的顶点法向量；
所述船体外壳型线的型值为决定型线空间位置的各点坐标值。
5.如权利要求4所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，
所述步骤S2中，所述计算机终端根据预设的所述第一计算方法计算所述空间四边形的各所述顶点对应的顶点法向量的方法，具体包括如下步骤：
步骤S21，所述计算机终端获取包含有一指定的所述顶点的所有所述空间四边形；
步骤S22，在每一个包含有指定的所述顶点的所有所述空间四边形中，将指定的所述顶点和分别与指定的所述顶点相连的两个所述顶点相连形成所述三角形；
步骤S23，所述计算机终端计算于所述步骤S22中得到的每一个所述三角形对应的法向量；
步骤S24，根据指定的所述顶点在各所述三角形中对应的内角大小，将所述步骤S23中得到的每一个所述三角形对应的法向量取加权平均值得到指定的所述顶点对应的顶点法向量；
步骤S25，重复步骤S21-步骤S24，直至完成计算所有所述空间四边形中的所有所述顶点对应的顶点法向量。
6.如权利要求3所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，
所述步骤S1中所述的离散化方法，包括如下步骤：
步骤A1，将上下设置于船体外壳上的各条所述水线分别按照平分方式，划分为数量相同的线段，然后沿船首至船尾方向依次记录各条所述水线上的平分节点；
步骤A2，将每一条所述水线上的顺序相同的所述平分节点按高度方向依次相连形成多条等参线；各所述水线和各所述等参线相互分割形成多个所述空间四边形。
7.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，
每一个所述空间四边形对应的网格大小均小于或等于200mm*200mm。
8.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，
所述步骤S4中的所述第一设计参数指标为各所述顶点各自所处位置的局部水线角、各所述顶点上的船首局部冲击角度以及从水平线连接至各所述顶点的切线的局部线型角度的一种或多种；
所述第二设计参数指标为所述三角形内部的各所述计算点各自所处位置的局部水线角、各所述计算点上的船首局部冲击角度以及从水平线连接至各所述计算点的切线的局部线型角度的一种或多种。
9.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，所述计算机终端通过以下公式计算得到每一个所述空间四边形的各个所述顶点和每一个所述三角形的各所述计算点对应的船体首部冲击设计压力：
其中，
PFB用于表示所述船体首部冲击设计压力；
fFB用于表示各所述顶点或各所述计算点的船体首部外张冲击压力的纵向分布系数；
Vim用于表示各所述顶点或各所述计算点的冲击速度；
γwl用于表示各所述顶点或各所述计算点的船首局部冲击角度；
CFB用于表示各所述顶点或各所述计算点的垂向位置系数。
10.如权利要求1所述的基于三维模型的船体首部外飘砰击并行计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述并行计算过程在所述计算机终端内部的图形处理器中进行，然后在所述步骤S5中将并行结果直接进行渲染并显示在所述计算机终端的屏幕上。
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