CN108694282A - 一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶仿真模拟技术领域，提供一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法及装置，所述方法包括：步骤1，读取船体STL模型，得到船体的尺度信息；步骤2，利用得到船体的尺度信息，对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据；步骤3，利用船体STL模型的所有切片数据，划分船体表面网格。本发明能够快捷地生成船体水动力计算中船体表面网格，简化生成过程，能够准确地获取密集且精确的船体型线数据，避免三维插值和曲线拟合带来的误差，算法实时性好，能够处理现有算法较难处理的各种复杂的船型。

Description

一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法及装置

技术领域

本发明涉及船舶仿真模拟技术领域，尤其涉及一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法及装置。

背景技术

计算机技术的迅猛发展为海洋工程、计算机流体力学提供了良好的发展机遇，其中一个重要问题就是如何自动生成围绕复杂外型的网格。船体表面网格划分方法不断涌现，现有技术中有代表性的包含以下两种方法：

一、首先根据已知的型值数据，将每站半剖面型线构造成累加弦长的三次参数样条曲线,然后采用等弦长划分方法。根据输入的每站半剖面垂向网格数目计算出插值节点的相应参数坐标，再利用构造的参数样条曲线求出节点在该剖面内的坐标信息。然后利用已有的节点信息，采用网格长宽比率来确定船体纵向的插值参数，沿船体纵向进行三维插值划分，可以得到满足给定长宽比的船中表面网格节点信息。该方法依赖大量样条曲线的插值计算，需要对型值数据进行拟合，拟合的过程会引入人为误差，导致网格节点不一定位于船体表面，网格构建需要分段，在分段构建的过程中又一次进行三维插值，降低了网格节点的精度。算法整体较为复杂，手动输入参数较多，对于船体曲率变化显著区域难以保证网格划分精度，对于船体直舷处无法计算。

二、输入船体型值，根据计算需要给出三个网格方向的最大最小值。用三次样条模拟光滑船体表面，并在曲率变化迅速的方向进行三维插值以得到新的船体型值，布置各剖面的网格分布并计算控制函数，通过迭代求解控制函数来形成船体周围的网格分布。该方法依赖更密集的船体型线数据，而采用三维插值获取新的船体型值，在船体变化剧烈的部位势必带来较大误差，使得插值得到的新型线与真实船体并不重合。

发明内容

本发明主要解决现有技术的网格划分方法较为复杂、难以保证网格划分精度等技术问题，提出一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法及装置，能够快捷地生成船体水动力计算中船体表面网格，简化生成过程，能够准确地获取密集且精确的船体型线数据，避免三维插值和曲线拟合带来的误差，算法实时性好，能够处理现有算法较难处理的各种复杂的船型，仅需要船体STL模型即可生成船体表面四边形网格，该网格能够应用于船体水动力计算，例如船体附加质量，船舶阻力的计算等。

本发明提供了一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法，包括以下步骤：

步骤1，读取船体STL模型，得到船体的尺度信息；

步骤2，利用得到船体的尺度信息，对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据，包括步骤201至步骤204：

步骤201，利用获取的船体尺度信息，在船体STL模型中沿X轴设定两个分段结点，形成三个切片分段；

步骤202，根据形成的切片分段，设置每一切片分段的切片数量，得到切片列表；

步骤203，按照切片列表进行切片处理，并在切片过程中修正切片列表中不合理的切片位置，得到X轴方向上的切片数据；

步骤204，按照步骤201至步骤203的方法，分别沿Y轴方向和Z轴方向对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据；

步骤3，利用船体STL模型的所有切片数据，划分船体表面网格，包括步骤301至303：

步骤301，根据得到的船体STL模型的所有切片数据，进行不同轴向切片数据之间的求交运算，得到交点构成的点集；

步骤302，根据得到的交点构成的点集，对相邻两个点集进行数量统一处理；

步骤303，根据数量统一处理后的点集，构建船体表面网格。

进一步的，步骤201，利用获取的船体尺度信息，在船体STL模型中沿X轴设定两个分段结点，形成三个切片分段，包括：

X_min到X₁为第一切片分段、X₁到X₂为第二切片分段、X₃到X_max为第三切片分段，其中，X₁、X₂分别表示沿X轴设定的两个分段结点，X_min表示船体STL模型在X轴的最小值，X_max表示船体STL模型在X轴的最大值。

进一步的，步骤202，根据形成的切片分段，设置每一切片分段的切片数量，得到切片列表，包括：

第一切片分段的切片数量为s₁*N，第二切片分段的切片数量为s₂*N，第三切片分段的切片数量为s₃*N，其中，N表示总切片数量，s₁、s₂、s₃分别表示第一切片分段、第二切片分段、第三切片分段的切片数比例，s₁+s₂+s₃＝100％。

进一步的，步骤203，按照切片列表进行切片处理，并在切片过程中修正切片列表中不合理的切片位置，包括：

如果某一位置的切片处理所得封闭多边形数量超出对应数量上限，则对该切片位置进行偏移，重新进行切片，直到获取合理的切片结果为止；其中，对于船长方向，数量上限为的得到2个封闭多边形；对于其他方向，数量上限为得到1个为封闭多边形。

本发明提供的一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法及装置，与现有技术相比，具有以下优点：

1、切片数据精度较高，以船体STL模型为基础进行切片，由于切片数据直接由模型本身的三角面片数据得来，避免了三维插值带来的精度丢失，保证了数据点完全位于船体表面，没有插值引入的人工计算误差。

2、切片方法的实时性较好，以标准船模KVLCC2为例，对船体沿船长方向切割150片仅需1.0～1.3s，节省了大量插值过程中手动操作的时间。

3、切片数据易于操作，可以随意组合不同片数的切片数据，对所构建的表面网格效果不满意时，可以随意替换不同片数的切片数据进行网格的重新构建，由于可以提前对模型进行不同数量和方向的切片，还能设置切片的分段加密，使得网格的调整工作变得十分便捷。

4、网格形状规则，利于计算，本方法构建的船体表面网格均为规则的四边形网格，网格变形小，在船体水动力计算中，四边形网格的计算精度要优于三角形网格，而且也更难建立，本方法能够十分便捷地建立船体表面的四边形网格，为船体水动力计算等进一步研究工作提供了便利条件。

5、能够处理复杂模型，对于传统方法而言，船体变化剧烈的部分常常难以处理，而本方法不依赖插值函数，无论船体模型复杂程度如何，均能构建网格，提供了一种网格构建的新思路，能够较好地处理船体形状变化剧烈的部位。

6、所开发的船体表面网格生成装置，操作简便，数据均可重复利用，所有过程数据均能够从三维和二维窗口进行即时检查，提高了生成网格的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于水动力计算的船体表面网格划分的实现流程图；

图2是船模KVLCC2的STL模型示意图；

图3是船模KVLCC2的STL模型三角面片信息示意图；

图4是切片处理的流程图；

图5是切片分段的示意图；

图6是对船模KVLCC2的STL模型不同方向切片结果示意图；

图7是表面网格划分流程图；

图8是船模KVLCC2三个轴向切片数据及切片全部交点示意图；

图9是网格节点构建示意图；

图10是切片数据构建的部分网格与法向示意图；

图11是表面网格生成装置界面示意图；

图12是船模KVLCC2的船体表面网格。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本实施例，以标准船模KVLCC2为例，进行说明。图1为本发明实施例提供的用于水动力计算的船体表面网格划分的实现流程图。如图1所示，本发明实施例提供的用于水动力计算的船体表面网格划分包括：

步骤1，读取船体STL模型，得到船体的尺度信息。

STL格式是一种三维模型中最通用的接口协议，STL文件又称立体光造型文件，是三维实体模型经过三角化后得到的模型文件，其文件内容无序地列出了构成实体表面的所有三角形面片的信息。每个三角形由三个顶点坐标以及三角形平面的法矢量信息表示。STL文件分为ASCII和二进制两种格式，本实施例提供的方法能够对不同格式的STL模型进行解析，在读取中首先确定STL模型文件的格式，然后依据固定格式读取并保存模型中的三角面片数据并保存其面片的数据，对面片数据进行遍历求取船体模型三个坐标轴向的极值坐标，将其保存为船体的尺度信息用于下一步处理，即所述船体尺度信息包括船体STL模型在X、Y、Z三个坐标轴的最大值和最小值。读取的船模KVLCC2船体STL模型如图2所示和三角面片信息如图3所示。

具体的，在读取中首先确定STL模型文件的格式，然后依据固定格式读取并保存模型中的三角面片数据并保存其面片的数据，对面片数据进行遍历求取船体模型三个坐标轴向的极值坐标，将其保存为船体的尺度信息。

步骤2，利用得到船体的尺度信息，对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据。

船体STL模型切片主要利用3D打印中的模型切割技术，其原理为切割平面与船体三角面片求交，由于原始三角面片是无序的，故求得的交点也是散乱的，需要对交点进行排序以构成正确的切面数据。图4是切片处理的流程图。如图4所示，步骤2具体包括子步骤201至204：

步骤201，利用获取的船体尺度信息，在船体STL模型中沿X轴设定两个分段结点，形成三个切片分段。

对于一般船体而言，沿船长方向的剖面，在0.0～0.1倍(船头)和0.9～1.0倍(船尾)船长的部分，形状变化较为剧烈，这是由于船体的流线型设计，为了减少船体阻力，通常船首和船尾的形状较为瘦削、而船中大部分船体比较规则，尤其是平行中体的部分形状变化十分缓慢；而对于沿船宽方向和吃水方向的剖面而言，由于船首尾均包含在剖面中，形状变化剧烈，故可以按照等距进行划分。基于这一实际因素考虑，本实施例提供的方法对船体进行不等距切片，对于形状变化剧烈的部位(船首和船尾)切片数量较多，而形状变化缓慢的部位(船中)适当减少切片数量。

船体尺度信息包括船体STL模型在X、Y、Z三个坐标轴的最大值和最小值，将这些极值作为切片位置的边界，然后设置分段参数。根据设置的分段参数进行切片数量的区分，可以通过自定义参数输入，确定具体在三个坐标轴的何位置上进行切片数量的加密。

图5是切片分段的示意图。如图5所示，分段参数的设置过程：沿船长方向(X轴)可以设定两个分段结点，坐标值分别表示为X₁、X₂，船体STL模型在X轴的最小值X_min到X₁为第一切片分段、X₁到X₂为第二切片分段、X₃到船体STL模型在X轴的最大值X_max为第三切片分段。第一切片分段对应船头位置，第二切片分段对应船中位置，第三切片分段对应船尾位置。

步骤202，根据形成的切片分段，设置每一切片分段的切片数量，得到切片列表。

设定每个切片分段的切片数比例分别表示为s₁、s₂、s₃，使s₁+s₂+s₃＝100％，总切片数量设置为N，在Xmin和X₁之间(第一切片分段)切片数量为s₁*N，在X₁到X₂之间(第二切片分段)切片数量为s₂*N，在X₂到Xmax之间(第三切片分段)切片数量为s₃*N。根据上述切片分段参数和切片数量，分配确定相应的切片位置，对于每一切片分段，有长度和数量信息，能够等间距的得到切片位置，将所有计算所得的切片位置放入一个切片列表。

步骤203，按照切片列表进行切片处理，并在切片过程中修正切片列表中不合理的切片位置，得到X轴方向上的切片数据。

通常对于船体STL模型而言，沿船长方向的切片可能会在船尾部位出现两个封闭的多边形，这是由于尾轴较为突出造成的，对于沿船宽和吃水的切片通常仅能得到一个封闭的多边形，上述情况都属于合理切片。在实际切片过程中，如果某一位置的切片处理所得封闭多边形数量超出对应数量上限，则对该切片位置进行小幅偏移，重新进行切片，直到获取合理的切片结果为止；对于船长方向以2个为得到封闭多边形的数量上限，对于其他方向，以1个为封闭多边形的数量上限。

本发明为了避免可能出现的不合理结果，本方法设置了错误面的判断，如果当前某一位置的切片所得多边形过多，则对该切片位置进行小幅偏移，重新进行切片，直到获取合理的切片结果为止。具体切片算法基于3D打印开源工具库Slic3r进行二次开发，将某一切片位置看成平面，通过平面与空间三角形的相交算法求得切面交点，将交点排序形成最后的切片结果。所开发的算法能够对STL模型进行任意数量和方向的切片处理。

步骤204，按照步骤201至步骤203的方法，分别沿Y轴方向和Z轴方向对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据。

分别对船体STL模型沿X、Y、Z三个坐标轴按照计算好的切片列表进行切片，所有切片操作完成后，将沿不同轴向的切片数据分别保存至文件，用于下一步的网格构建。本实施例以某船为例，对船模KVLCC2的STL模型不同方向的切片结果如图6所示。

步骤3，利用船体STL模型的所有切片数据，划分船体表面网格。

本发明基于切片数据交点进行网格划分，表面网格划分流程如图7所示，包括子步骤301至子步骤303。

步骤301，根据得到的船体STL模型的所有切片数据，进行不同轴向切片数据之间的求交运算，得到交点构成的点集。

对于某一个轴向的某一片切面数据，应用空间三维线段求交算法，计算该切面与其他两个轴向所有切面的交点，得到交点构成的点集。船模KVLCC2的三个轴向切片数据及切片全部交点如图8所示。

步骤302，根据得到的交点构成的点集，对相邻两个点集进行数量统一处理。

由于船体形状不规则，同一方向上相邻的两个点集大小不一致，为生成高质量的四边形网格，需要对两个点集进行处理，将其数量进行统一，通常两个点集的数量之差较小，仅需进行几个点的插值即可得到数量相等的两个点集。

步骤303，根据数量统一处理后的点集，构建船体表面网格。

基于统一后的两个相邻点集可以快捷地建立船体表面网格，网格节点构建规则如图9所示，以X轴为例，经过统一对齐处理后的两个相邻点集为X_i和X_i+1，在两个点集上有A、B、C、D四个点，以该顺序作为当前网格的四个节点，n为四边形网格的外法线方向，基于切片数据构建的部分网格与法向如图10所示。

最后，由于船首尾的形状特殊，在所有建立好的网格数据中选取所需要的网格作为最终用于水动力计算的船体表面网格。

对标准船模KVLCC2进行了切片数据的验证，并与船舶实际排水体积对比，结果如表1所示。从表1中可以看出，随着切片数量的增加，对排水体积的计算精度不断提高，最大误差也不超过0.2％，足以说明切片数据的精度。

表1标准船模KVLCC2排水体积计算

本实施例，对上述三个步骤中涉及的算法进行实现，对计算过程中产生的数据进行可视化，对所有能够自定义参数的部分布置界面进行交互，基于微软基础类库开发了船体表面网格生成装置，该装置的界面如图11所示。该装置具有读取STL模型、不同方向和数量的等距或不等距切片、保存读取切片数据文件、船体表面网格划分、三维数据可视化、二维切片数据可视化等功能。

在网格生成装置中可以通过打开STL按钮来读取STL模型文件，读取到的三角面片数据直接显示于三维观察窗口，可以自由旋转观察。

在网格生成装置中，可以设置切片的数量、方向、偏移量和轴向夹角，通过切片按钮进行切片操作，所得切片数据以数量、方向和夹角组合为文件名称存放于文件中，切片数据可以从三维和二维观察窗口进行检查。

在网格生成装置中，通过读取切片数据按钮能够依次读取三个轴向的切片数据，通过相交计算按钮进行交点点集的计算，所有计算结果均在三维观察窗口中即时显示。

通过网格建立按钮，从已经统一对齐的点集建立船体表面网格，并将建立好的网格数据保存至文件，以标准船模KVLCC2为例，最终网格数据如图12所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用于水动力计算的船体表面网格划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，读取船体STL模型，得到船体的尺度信息；

步骤2，利用得到船体的尺度信息，对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据，包括步骤201至步骤204：

步骤201，利用获取的船体尺度信息，在船体STL模型中沿X轴设定两个分段结点，形成三个切片分段；

步骤202，根据形成的切片分段，设置每一切片分段的切片数量，得到切片列表；

步骤203，按照切片列表进行切片处理，并在切片过程中修正切片列表中不合理的切片位置，得到X轴方向上的切片数据；

步骤204，按照步骤201至步骤203的方法，分别沿Y轴方向和Z轴方向对船体STL模型进行切片处理，得到船体STL模型的所有切片数据；

步骤3，利用船体STL模型的所有切片数据，划分船体表面网格，包括步骤301至303：

步骤301，根据得到的船体STL模型的所有切片数据，进行不同轴向切片数据之间的求交运算，得到交点构成的点集；

步骤302，根据得到的交点构成的点集，对相邻两个点集进行数量统一处理；

步骤303，根据数量统一处理后的点集，构建船体表面网格。

2.根据权利要求1所述的用于水动力计算的船体表面网格划分方法，其特征在于，步骤201，利用获取的船体尺度信息，在船体STL模型中沿X轴设定两个分段结点，形成三个切片分段，包括：

X_min到X₁为第一切片分段、X₁到X₂为第二切片分段、X₃到X_max为第三切片分段，其中，X₁、X₂分别表示沿X轴设定的两个分段结点，X_min表示船体STL模型在X轴的最小值，X_max表示船体STL模型在X轴的最大值。

3.根据权利要求2所述的用于水动力计算的船体表面网格划分方法，其特征在于，步骤202，根据形成的切片分段，设置每一切片分段的切片数量，得到切片列表，包括：

第一切片分段的切片数量为s₁*N，第二切片分段的切片数量为s₂*N，第三切片分段的切片数量为s₃*N，其中，N表示总切片数量，s₁、s₂、s₃分别表示第一切片分段、第二切片分段、第三切片分段的切片数比例，s₁+s₂+s₃＝100％。

4.根据权利要求1所述的用于水动力计算的船体表面网格划分方法，其特征在于，步骤203，按照切片列表进行切片处理，并在切片过程中修正切片列表中不合理的切片位置，包括：

如果某一位置的切片处理所得封闭多边形数量超出对应数量上限，则对该切片位置进行偏移，重新进行切片，直到获取合理的切片结果为止；其中，对于船长方向，数量上限为的得到2个封闭多边形；对于其他方向，数量上限为得到1个为封闭多边形。