船海工程中IGANURBS的ISO几何分析方法

从根本上说，船舶设计是定义在空间和体积的几何上的，表面构造的典型输入是点，对于船舶科学中的表面设计来说，设计表面在每个截面上都具有期望的空间，并且沿着几何体的长度具有期望的体积（例如对于船舶截面面积曲线及其在整个船长上的分布是非常重要的）。从船体偏移量数据拟合并整理型线是完整船体设计过程的开始。这些任务在计算上是繁重的，直到现在仍然是设计过程中的瓶颈。在此环境中，非常希望几何建模系统能够有效地将数据拟合在预定的公差级别内，并且能够直观地对几何图形进行平滑处理。

从理论上讲，CAD系统能够以大范围的格式与其他系统交换信息。在拟合过程中，输入信息通常通过船舶偏移量、技术参数和每个剖面的空间与体积界限给出。因此，该输入信息是文本格式，建模系统的输出可以是DXF格式（用于拟合样条曲线）或IGES格式（用于基于NURBS[4]的表示）。期望表面设计过程是一个典型的优化问题，船舶科学对特定几何形状的特殊要求是空间和体积最优。船体表面被分析为不同的性质（即几何、拓扑、流体动力和生产相关特征），船体表面可接受的特征主要取决于表面设计者，设计本身在不同领域存在相互冲突。例如美学家更喜欢美观的双曲设计；制造工程师更喜欢直线，因为直线部分意味着更少的生产成本；水动力学家喜欢在切向流动方向上具有平滑的方向斜率和曲率分布。因此，船舶几何设计是一个有约束的优化问题。基本的船舶CAD模型被输入到有限元结构分析、CFD水动力分析等领域，准确高效的船舶几何建模是船舶设计的关键。(www.xing528.com)

众所周知，集成的设计方法在计算上是有效的，并且减少了设计开发周期时间。一项完整的设计是一个循序渐进的过程，需要输入来自不同领域的不同步骤，例如在船舶和浮式结构设计中输入CAD、CAGD[5]、CFD、有限元分析和制造仿真等数据。从CAGD到CAD到FEA到CFD到制造仿真的几何模型的一致使用，必将有助于高效的数据交换、集成设计周期、节省时间和降低计算复杂度。这种可能性的应用促使研究人员开发计算方法，提供将有限元分析集成到传统CAD和CAGD系统（基于NURBS）的可能性。目前大多数工业系统中，需要在CAD和有限元软件解决方案之间转换数据，以便在开发期间分析新的设计，这是一个困难和耗时的任务，因为每个设计的计算几何方法不同。这就是所谓的“ISO几何分析（IGA）”［88］，将基于IGA NURBS的几何表示直接应用于有限元分析中。这允许模型在使用基于NURBS的公共几何信息模型的集成环境中进行设计、测试和调整。此外，由于可以利用船舶／浮式结构的基本技术参数导出几何定义，IGA提供了通过改变输入技术参数来开发和分析新的设计方案的可能性。这可以减少设计开发周期时间。此外，NURBS具有优异的性能，可用于流体动力学分析、结构分析和制造模拟。