Maxsurf在游艇船体曲面建模中的应用

□陈郑乔 尹 辉 钟佩君

一、引言

游艇，作为一种水上娱乐用高级耐用消费品，它集航海、运动、娱乐、休闲等功能于一体，能够满足个人及家庭享受生活的需要[1]。在发达国家，游艇像轿车一样多被私人拥有，而在中国，随着经济的快速发展，游艇的拥有量逐渐增高，游艇将会和汽车一样，成为进入家庭的下一代耐用消费品。

区别于常规船舶的设计思想，游艇的外型设计上在保证其优良的各项性能的基础上，兼顾时尚性，体现人类审美的精神需求。为满足游艇实用方面的要求，在游艇船体外型设计时，通常采用具有折角或直线式的船体以提高游艇的航速和保证船体的稳定、抗风浪性能[2]。而在时尚方面，相当于工艺品，象征消费者的身份、地位，游艇在外观上极具个性化和艺术化，因而对船体外型设计提出极高的美学要求。游艇船体曲面建模能够将游艇的造型在计算机软件中以三维体的形式呈现出来，方便设计师快速准确地对游艇外型进行修改。游艇船体的曲面建模是完成游艇船舶静力学和船舶动力学计算的第一步，精确的船体曲面建模是获得准确的计算结果的基础。本文以83英尺豪华游艇为造型模版，对曲面建模进行简单的阐述，并介绍了Maxsurf在游艇船体曲面建模中的应用。

二、曲面建模

曲面建模也称为NURBS建模。NURBS建模是现代工业曲面造型中最为广泛流行的技术，广泛应用于产品创新设计中，它是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，它通过控制点来影响曲线的生成，与网格、面片等方法相比,在复杂曲线曲面造型方面有较大的优越性,造型效率高、曲线曲面修改更容易，从而可以创建出更为复杂、形状更为生动、效果更为逼真的曲面造型[3]。

简单地说，NURBS就是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS建模是用路线构建曲线，然后由曲线生成曲面，再由曲面生成NURBS立体模型，而每个NURBS曲面都可以用数学表达式来定义且可通过改变控制点来改变NURBS曲面。在船舶曲面建模过程中也是运用到这种方法。NUBRS是一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件当中都支持这种建模方式。常见的支持NURBS曲面建模的软件有Rhino、3D Max、Maya等等。

三、Maxsurf在游艇船体曲面建模中的应用

Maxsurf软件是由澳大利亚Formation Design Systems公司为船舶设计和建造者开发的，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[4]。它由多个模块组成，包括Maxsurf modeler、Hullspeed、Hydromax、Workshop、Seakeeping、Prefit、Span、Hydrolink等模块。其中，Maxsurf modeler模块是Maxsurf软件包的核心部分，modeler模块包括一整套用一个或多个真正的三维NURBS曲面，进行三维船体建模工具，可使船舶设计师快速，精确地设计并优化出各种船舶主船体、上层建筑和附体型线。Maxsurf软件的多面特性允许在任何给定的设计里随意进行曲面建模，并能创建出诸多的船体结构。辅以流体静力学，则能够进行船型分析和确定船型参数[5]。本文主要使用型值表对游艇船体进行数值化曲面建模，对Maxsurf在游艇船体曲面建模中的应用作简单的介绍。

(一)数据预处理。使用型值表数值化建模的第一步就是对游艇型值表进行一系列的处理。首先，在excel表格中将型值表的数据转化为三维空间中船体曲面的点的坐标，并按照Maxsurf中标记(Marker)表格的格式建立TXT文档，如图1所示。其中第一列为站号，第二列为该站号离原点的距离，第三列为型宽值，第四列为型深值。在建立TXT文档时，需特别注意单位的转换。

(二)导入和整理标记(Markers)。启动Maxsurf20中的Modeler advanced Markers模块，打开Marker窗口，点击”File”→“Open Design”，选择建立好的TXT文档，导入标记(Marker)，如图2所示。

图2 游艇的型值标记点

打开Perspective窗口，就可以得到一系列的型值标记点。选择全部标记点，然后在菜单栏中选择“Markers”→“sort markers within station”和“group markers by station”对标记点进行整理，如图3所示。

图3 整理后的标记点

(三)生成曲线(Curves)。选中所有标记点，在菜单栏中选择“Curves”→“fit curves to markers station”，曲线的光顺度(Stiffness)设定为“2(linear)”，按站位生成曲线，如图4所示。

图4 游艇表面曲线

本文中的游艇因有较明显的折角，需对生成的曲线作打断处理，选中折角处的控制点，然后在菜单栏中选择“Curves”→“break curve”打断曲线，如图5所示。

图5 打断处理后的曲线

(四)生成曲面(Surfaces)。由曲线生成曲面是船舶曲面建模的关键所在，工作量也是最大的，生成曲面时请务必细致认真耐心。

本文将游艇曲面分四个曲面生成。第一，选中生成第一个面的曲线，需要特别注意的是选择曲线时要单向顺次选择曲线，否则影响后面生成的曲面的形状。第二，在菜单栏中选择“surfaces”→“skin curves”，本文中的游艇共有10站，则添加10个控制点(添加控制点的数量与站位数量相等)，将光顺度(stiffness)设定为“2(linear)”，生成第一个曲面，如图6所示。重复上述步骤生成其它三个曲面。第三，改变曲面的光顺度，移动控制点调整曲面，使曲面尽量与曲线重合。第四，在菜单栏中选择“surfaces”→“join surfaces”缝合曲面，完成游艇曲面建模，如图7所示。

图6 生成曲面

图7 游艇船体曲面模型

四、结语

由于maxsurf的modeler模块使用真的三维NURBS曲面建模方法进行船体曲面建模，这极大地提高了游艇船体外型设计的速度。而且Maxsurf是拥有一套非常完整的适用于各种船舶设计、分析和建造的计算机辅助船舶设计和建造软件，可将在Modeler模块中建好的模型直接导入Maxsurf的其他模块中进行静力学和船舶动力学计算，有助于设设计师高效精确地完成船舶设计。目前，Maxsurf软件分布在澳大利亚、中国、日本、德国、荷兰、新加坡、美国等国家的1000多个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。