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| 书名： | 数学船型构建及优化设计 |
| 出版社： | 清华大学出版社 |
| 出版日期 | 2021 |
| ISBN号： | 9787302587514 |
| 本书采用纵向函数法、横向函数和垂向函数，即采用数学方程表达各剖线族，同时将生成各剖线的参数用一些连续函数表示，从而构建数学船型。由此也可以方便地生成横剖面面积曲线、设计水线、纵中剖面轮廓线、龙骨半宽线，再生成各横剖线。而横剖面面积曲线、设计水线，可以根据船舶长度、宽度、吃水、方形系数、水线面面积系数、肿截面系数、浮心纵向位置等为参数用数学方程表达。这种方法与以往传统船舶设计的方法比较接近。本书适用于船舶工程、应用数学、计算机图形学、系统科学、运筹学等专业的师生参考，适合于船舶总体设计及子系统总体设计的工程人员参考，其中所用理论与方法也适用于航空航天领域、汽车设计等领域的工程人员参考。 |
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| 唐晓,女，1983年1月出生，武汉大学计算机专业工学博士，中国人民解放军空军预警学院教员，副教授。研究方向：算法设计，云计算。 |
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| 本书采用纵向函数法、横向函数和垂向函数的方法表示船舶的船形，通过参数的调整来达到设计的要求，给出了船舶设计的新途径。 |
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| 第1章不可展曲面及其近似表示
1.1微分几何学与可展曲面
1.2不可展曲面的近似展开
1.3曲面的分片表示
1.3.1样条曲线
1.3.2反求工程与曲面重构
1.3.3B样条
1.3.4非均匀有理B样条曲线
1.3.5曲面的分片表示
1.4曲面的曲线族表示
第2章流体力学中的曲线
2.1流线体的形状设计
2.2船体外形曲线的表达
2.3流线型的非代数变换曲线近似
第3章船体型线
3.1船体设计
3.2船舶型线设计
3.2.1船体型线研究方法
3.2.2船体型线的表示
3.3船体型线的函数表示
3.3.1线型生成基本原理
3.3.2船体数学线型设计
3.3.3纵向函数法
3.3.4垂向函数法(吃水函数法）
3.3.5横向函数法
第4章船型的多学科设计优化
4.1基于计算流体力学的仿真设计技术
4.2多学科设计优化
4.3船舶设计优化
4.4基于多学科设计优化的船舶型线设计
4.4.1船型优化研究进展
4.4.2船型水动力性能优化方面的研究
4.4.3船型优化
第5章潜艇的数学船型
5.1流线型回转体的外形设计方法
5.2基于纵向函数的潜艇型线表达
5.3超越方程的求解
第6章指挥台围壳、方向舵和升降舵的数学线型
6.1梯形指挥台的数学线型
6.2填角弧形指挥台的数学线型
6.3潜艇方向舵的数学线型
6.4潜艇升降舵的数学线型
6.5X型舵的数学表达
6.6翼型体数学线型与蒙皮设计方法
第7章基于数学船型的潜艇外形优化
7.1满足静水性要求的潜艇数学船型研究
7.2潜艇外形多学科设计优化
7.3潜艇外形多学科设计优化实例
第8章基于型线几何特征的数学船型
8.1船体的描述
8.2型线的几何特征分析与数学建模
8.3高速船舶的数学船型
8.4高速水面船舶的数学线型设计实例
8.5船体形状函数及型线自动生成方法
第9章Wigley数学船型
9.1船舶阻力理论
9.2利用Wigley数学船型的阻力分析
9.3Wigley船型的优化研究
第10章基于流线型函数的数学船型
10.1基于流线型函数的数学船型构建
10.2船型设计的垂向函数法
10.3船型设计的横向函数法
10.4基于数学船型的水面船舶船型优化
第11章船舶虚拟采办中的数学船型
11.1虚拟采办
11.2船舶虚拟采办
11.3虚拟采办下的船舶概念设计
11.4船型设计在船舶概念设计中的重要性度量
参考文献
附录A利用流线型函数变换实现飞机气动外形参数化设计
附录B利用数学船型进行船舶型线变换
结语 |
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| 复杂曲面的表示，是计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）中的基础。复杂曲面归为不可展曲面，其表示非常困难与复杂。目前，国际上的主流是采用非均匀有理B样条（NonUniform Rational BSpline，NURBS），将整体曲面分片表示。但是在设计一种新型曲面时，很难提供NURBS需要的很多信息，给曲面的创新造成一定的困难。本书以船型这类特殊复杂曲面为背景，探索利用纵向（或横向或垂向）函数族对一些特殊复杂曲面的数学表示，获得满足船舶静水性条件的初始船型。另外，可以进一步利用水动力特性等目标进行优化、改进船型，有利于在总体设计阶段对选型的论证。 目前在船型设计上主要依据已有的船型库，根据母型船的型值点，构建新的船型，这种方法也称为“母型改造法”。随着计算机辅助几何设计(Computer Aided Geometric Design，CAGD）、数字船池（Numerical Tank，NT）、多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）技术的快速发展，对船体的数学描述提出了越来越紧迫的要求，数学船型问题也再次被重视起来。在虚拟采办下，为了尽快提出满足船东需求的船体设计方案，必须尽快提出概念设计，这也对数学船型构建提出很高的要求。 船体曲面的计算机表达是对船体曲面进行设计、相关性能分析与计算以及后续CAM实现的必要基础。船体曲面是具有双曲度的相当复杂的空间曲面，不能用规则的解析曲面进行描述。如何更加合理地运用数学方法来表达船体曲面形状，一直是造船界追求的关键目标之一。这个目标的实现依赖于两方面技术的发展： 一方面是曲面造型数学工具的发展，另一方面是计算机技术的发展。二者相辅相成，缺一不可。早在19世纪后期，就不断有人摸索用函数描绘船体形状，因局限于手工推导及计算，仅能用简单的初等函数描写船舶的水线面或横剖面。目前用数学方法描述船体曲面，由于要求和角度不同，因此有不同的途径。按已定主尺度和船型系数，利用数学方法构成光顺船体曲面，常被称为“数学线型设计法”。 所谓数学船型，就是用数学函数表达和设计船体型线。它要求寻求并采用适当的数学表达式，找到某种有效的方法，在满足设计要求的前提下求出具有实用价值且光顺的船体型线，为水动力计算以及建造施工提供其所需要的前期数据。
本书采用纵向函数法、横向函数法和垂向函数法，即采用数学函数表达各剖线族，同时将生成各剖线的参数用一些连续函数表示，从而生成船型，由此也可以方便地生成横剖面面积曲线、设计水线、纵中剖面轮廓线、龙骨半宽线等，然后生成各横剖线。而横剖面面积曲线和设计水线，可以根据船舶长度、宽度、吃水、方形系数、水线面系数、舯截面系数、浮心纵向位置等参数，利用数学函数表达。这种方法与以往传统船舶设计的方法比较接近，从而方便地用于造船工程。 本书对水下潜航器（回转体及其类似的船型）和水面船舶（水线以下部分）分别采用具有形状参数的函数形式描述，通过求解超越方程组，获得基本船型。这种方法还可以被用来描述潜艇指挥塔围壳、舵（十字型舵的方向舵—垂直舵、升降舵—水平舵以及X型舵）等附件。本书在数学船型的构建基础上，探讨了通过近似计算和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）估计船舶阻力，进而通过多学科设计优化获得最优船型。 数学船型的数字化设计从复杂曲面的数学表示开始，直接与计算分析软件相接，在分析改进优化后，加工实物模型，利用实验手段完善改进设计，这将大大简化实验，降低费用，加快设计制造的进度，提高质量。 数学船型设计方法特别适用于船舶总体论证阶段的设计。数学船型设计方法已经用于潜航器裸艇及其附件（指挥塔围壳和舵）的数学设计，利用计算分析软件（数字水池），配合水池实验、水洞实验和风洞实验，正在进入工程化。 数学船型的研究涉及多种学科： 工程设计、计算机图形学、应用数学、运筹学、结构力学、流体力学等。这是一项新的探索，为一类复杂曲面的数学表示与优化提供了简单易行的方法，为诸多复杂曲面的创新设计提供了新的工具。 数字化设计，如果能够在开始就使用数学变达，那么后期的计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造就方便很多。本书正是对在设计初期采用数学方法设计复杂曲面的探索。 目前在产品设计中，“从一到十”有多种设计方法，本书探讨的是“从零到一”的设计方法。 本书分为四部分。在第一部分（包含第1、2、3、4章）介绍不可展曲面的近似表示、流体力学中流线的形状及其表示，船型设计及多学科优化，这是船体设计的基本问题，是后续工作的理论基础。第二部分（包含第5、6、7章）具体讨论在数学船型下的潜艇设计，其中有潜艇裸艇（回转体与异型体）、指挥台围壳和舵（水平尾舵和垂直尾舵）。第三部分（包含第8、9、10、11章）研究水面船舶的船型设计与优化。第四部分（包括附录）研究飞机外形数字化设计和船舶型线的调整。 书中第一部分由唐晓撰写，第二部分由齐翔撰写，第三部分和第四部分由齐欢撰写，书中的计算和图形由唐晓负责。全书由齐欢负责统稿。 本书得到了华中科技大学人工智能与自动化学院、船舶与海洋工程学院、海军工程大学舰船工程系、中船舰船设计研究中心、湖北省自然科学基金、武昌首义学院的大力支持，也得到了李德群院士、李天匀教授、赵耀教授、王威教授、陆君安教授、李亚萍教授、唐金颖副教授以及湖北省经济学会副会长齐民博士等人的大力支持和帮助。在此一并表示感谢。 作者2021年2月 |
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