宋保維，朱崎峰，王 鵬

（西北工業(yè)大學 航海學院，西安 710072）

0 引言

自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)廣泛用于海底資源和地質調查、海洋環(huán)境測量以及軍事用途等。采用多學科設計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optim ization，MDO）方法可以有效提高AUV總體概念設計的質量，縮短研制周期，引起了國內外AUV設計工作者的廣泛關注[1～3]。AUV總體概念設計多學科優(yōu)化是一個設計參數(shù)和幾何模型的優(yōu)化過程，是實現(xiàn)利用CFD和CAE等學科分析工具驅動CAD模型優(yōu)化更新的過程。傳統(tǒng)的AUV幾何模型創(chuàng)建方法因無法實現(xiàn)幾何模型創(chuàng)建與更新的自動化，不能滿足多學科設計優(yōu)化的要求。

近年來，隨著計算機輔助設計技術的發(fā)展，基于CAD的參數(shù)化建模方法逐漸應用于航空、航天、航海等多個領域[4～6]，AUV殼體結構設計也逐漸采用了基于特征參數(shù)的參數(shù)化設計方法。文獻[7]最先開展了AUV殼體的參數(shù)化設計研究，基于VC++5.0開發(fā)了一個能夠集殼體結構建模、結構分析和優(yōu)化的軟件系統(tǒng)，但由于該軟件系統(tǒng)是獨立開發(fā)的，造成與CFD等商用學科分析軟件之間沒有數(shù)據(jù)接口，無法進行學科之間的數(shù)據(jù)交換，各學科也不能利用其參數(shù)化幾何模型進行數(shù)值計算。文獻[8]在UG軟件平臺上進行二次開發(fā)實現(xiàn)了AUV殼體結構的快速設計，能夠為殼體結構的力學性能分析提供三維幾何模型，但無法為流體力學特性、噪聲特性、衡重特性等其它諸多性能的分析提供研究對象和需要的幾何特性參數(shù)，還不能滿足AUV總體多學科設計優(yōu)化系統(tǒng)對參數(shù)化幾何建模的要求。因此隨著AUV總體概念設計多學科優(yōu)化研究的深入，開展面向AUV總體概念設計多學科優(yōu)化的參數(shù)化幾何建模技術研究勢在必行[9,10]。

本文在對AUV總體概念設計多學科優(yōu)化流程中參數(shù)化幾何建模分析的基礎上，研究AUV參數(shù)化CAD建模的關鍵技術，并以通用CAD軟件UG為平臺，運用VC++和UG/OPEN進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了面向AUV總體概念設計多學科優(yōu)化的參數(shù)化幾何建模，并應用于工程實際中。

1 面向MDO的AUV參數(shù)化幾何建模方法

1.1 AUV總體概念設計的MDO流程

AUV總體概念設計涉及到多個學科領域，各學科之間相互關聯(lián)，根據(jù)總體設計的各項任務和設計流程，結合多學科設計優(yōu)化技術，本文將整個AUV總體概念設計劃分為流體動力、殼體結構、操穩(wěn)性、控制導航、動力推進、衡重布局和聲學七個學科領域。集成參數(shù)化幾何建模之后的AUV多學科設計優(yōu)化運行流程如圖1所示。

圖1 AUV總體概念設計的MDO流程

從圖1可知， MDO中AUV參數(shù)化幾何建模的主要任務是為流體動力性能分析、結構力學性能分析和聲學性能分析提供精確的CAD模型，同時為其它相關學科提供CAD模型的幾何特性參數(shù)，以用于各學科分析和優(yōu)化。

1.2 MDO對參數(shù)化幾何建模的要求

MDO是一個融合多學科知識，在集成不同學科分析工具基礎上實現(xiàn)AUV總體優(yōu)化設計協(xié)同仿真的過程，面向AUV總體概念設計多學科優(yōu)化的參數(shù)化幾何建模需滿足如下要求：

1）AUV參數(shù)化幾何建模必須能夠準確地生成AUV的三維CAD模型，為各子學科分析與優(yōu)化提供統(tǒng)一的幾何模型。

2）AUV參數(shù)化幾何建模必須能夠準確地獲得AUV表面面積、內部容積、浮心位置、殼體重量和重心位置能準確的信息，便于各學科分析與優(yōu)化。

3）在MDO的迭代過程中，用戶需要能夠仔細地觀察幾何模型的變化，以盡快發(fā)現(xiàn)并解決問題，縮短設計周期。因此參數(shù)化幾何建模必須在前臺運行，并提供給用戶查看幾何模型的全部權利。

4）UG軟件與MDO集成框架之間要實現(xiàn)無縫連接，存儲設計參數(shù)的文件格式必須能夠為MDO集成框架識別，以滿足集成框架對設計參數(shù)解析和更新的要求。

1.3 面向MDO的AUV參數(shù)化幾何建模方法

AUV參數(shù)化幾何模型的核心是采用一組參數(shù)來描述AUV模型的幾何形狀，其幾何模型的修改都可以通過對該組參數(shù)的處理來進行。計算機根據(jù)設計者輸入的參數(shù)會自動導出精確的幾何模型，而不需要人為地重新繪制AUV幾何模型，對模型的修改只要改變相應的參數(shù)即可。基于AUV三維CAD模型生成技術，實現(xiàn)MDO過程中的參數(shù)化幾何模型的方法有以下三種：

1）用計算機高級語言專門開發(fā)一個能夠自動生成AUV三維CAD幾何模型的程序，這種方法具有較大的靈活性，但工作量較大。

2）基于MDO框架平臺（如AM L等）的參數(shù)化幾何建模功能，實現(xiàn)三維CAD幾何模型自動生成。

3）基于現(xiàn)有CAD軟件（如UG、PRO/E等），應用二次開發(fā)技術，開發(fā)一個能自動生成三維CAD模型的程序。

本文中參數(shù)化AUV幾何模型采用第3種方法，該方法雖然在靈活性方面受到一些限制，但是具有許多優(yōu)點：1）CAD軟件（如UG）具有很強的曲面生成功能，可以避免重復的曲面生成編程工作；2）CAD軟件中生成的三維幾何模型能為各種設計部門直接使用，不必進行圖形格式的轉換；3）CAD軟件一般還具有計算幾何模型面積和體積等幾何特性，這些信息在AUV總體設計中非常重要。

2 MDO中的AUV幾何模型

根據(jù)參數(shù)化幾何建模的根本任務，本文將主要研究工作集中于MDO中的AUV概念設計的主體幾何模型、鰭舵幾何模型和殼體結構幾何模型三部分的參數(shù)化幾何建模上。

2.1 主體幾何模型

AUV主體通常為回轉體，其幾何模型的形狀由主體的線型決定。AUV主體線型一般由四段組成：頭部曲線段、平行中段、尾部曲線段及尾錐段，具體幾何形狀和參數(shù)如圖2所示[11]。

圖2 AUV主體線型定義

圖中： DF表示AUV頭部前端面直徑(圓頭線型DF=0)； LH表示頭部曲線段軸向長度；D表示平行中段直徑； LC表示平行中段長度； LT表示尾部曲線段軸向長度； DT表示尾部曲線段后端面直徑；α表示尾錐半角； LE表示尾錐段軸向長度；DE表示主體后端面直徑；L表示AUV總長度。

2.2 殼體結構幾何模型

AUV的殼體結構的最基本形式是環(huán)肋加強薄壁殼體，殼體結構幾何模型主要由殼體厚度、肋骨間距和肋骨橫截面幾何形狀決定。AUV殼體結構采用的環(huán)形肋骨根據(jù)橫截面的形狀，可以分為矩形肋骨、Z形肋骨、工字形肋骨、T形肋骨和L形肋骨等。

基于簡化模型的需要，本文在肋骨布置方面拋棄以肋骨間距作為控制條件的方案，而以肋骨個數(shù)作為控制條件。此外，考慮到頭部和尾部殼體的長度遠小于平行中段，在壁厚、肋骨間距及工作海況等相同的情況下，其結構強度及穩(wěn)定性優(yōu)于平行中段，所以文中在參數(shù)化幾何建模時頭部與尾部的肋骨類型及肋骨間距與平行中段相同。

2.3 鰭舵幾何模型

鰭、舵是AUV的穩(wěn)定面和操縱面，其幾何模型的形狀由鰭舵剖面幾何形狀、平面幾何形狀及尺寸大小、和布局方位決定。典型的鰭舵平面幾何形狀和布局方位如圖3所示。

圖3 鰭、舵平面幾何形狀定義

3 幾何建模關鍵技術

3.1 結構特征關聯(lián)

對AUV幾何模型的結構分析表明，由于組成部件的幾何特征不同，采用的建模方法也不同。針對AUV幾何模型復雜的結構，為便于參數(shù)化幾何模型的建立和修改，AUV的CAD模型采用各部件分塊建模，并通過布爾運算連接成整體幾何模型的方法。該方法能夠方便、靈活地構建特征模型，但需要解決各部分之間的特征關聯(lián)等關鍵問題。

圖4 特征關聯(lián)示意圖

特征的關聯(lián)在結構上表示為部件結構的大小、位置及相互連接的關系，在參數(shù)值上則表現(xiàn)為部件之間尺寸關聯(lián)性。針對AUV幾何模型的特征，文中應考慮的特征關聯(lián)關系主要存在于AUV各段殼體、鰭、舵和肋骨之間，各部分之間的特征關聯(lián)關系如圖4所示。在AUV幾何模型構建過程中，本文采用共用特征線、特征點或已構建特征的輪廓線來實現(xiàn)不同部件之間特征的關聯(lián)。

3.2 特征曲線控制

為便于參數(shù)化特征的建立和修改，文中采用3次非均勻有理B樣條（Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS）曲線作為AUV主體幾何模型的控制特征線。主體線型的每條NURBS控制線由若干點控制，每個控制點根據(jù)曲線要求控制其位置變化的方向和范圍。這樣既能保證模型順利地建立與修改，又能得到豐富的形狀變化。AUV主體線型的NURBS樣條曲線包括頭部曲線段樣條曲線和尾部曲線段的樣條曲線，尾部的樣條曲線整體曲率較小，采用均勻分布的控制節(jié)點即可輕松構造出理想的樣條曲線來逼近真實的主體線型，而頭部線型曲線則不同，其臨近前端面的一部分曲線曲率變化很大，靠近平行中段的部分曲率變化較小，若利用均布控制節(jié)點構建樣條曲線就會失真，無法正確地描述雷頭的真實線型變化。

為明顯地表示控制節(jié)點的變化對曲線形狀的影響，假定該B樣條曲線有11個控制點。其中曲線的端點1和11通過雷體的整體尺寸控制，軸線位置的x坐標和徑向位置的y坐標固定；點2～10的軸向坐標x可以通過節(jié)點生成函數(shù)進行控制，y坐標可以經(jīng)過線型函數(shù)關系式隨控制點的x坐標值的調節(jié)而變化。通過調節(jié)控制點2～10的x坐標，能夠較好地改變曲線的形狀，同時保證樣條曲線光滑連接的關系。圖5所示為坐標點位置調節(jié)前后的AUV頭部幾何模型的控制曲線。

圖5 AUV頭部特征曲線的控制

3.3 肋骨類型的轉換

AUV殼體結構采用的環(huán)形肋骨類型通常有矩形、L型、Z字型、T字型和工字型等，在不同的肋骨類型中，工字型肋骨的結構形式最為復雜，橫截面幾何尺寸參數(shù)也最多，共需要8個參數(shù)，分別為1l、2l、3l、4l、 1d、 2d 、 3d、 4d 。經(jīng)過對不同形式肋骨的比較和分析可知，在工字型肋骨基礎上，僅需要對各個參數(shù)的調整即可以衍生出其它形式的肋骨，如矩形肋骨、T型肋骨、L型肋骨和Z字型的肋骨等。這種方法極大地簡化了肋骨幾何建模的復雜性，并有利于肋骨幾何模型特征設計參數(shù)的提取。例如將工字型肋骨橫截面幾何參數(shù)中2 3l l、置為0，則可以得到Z字型肋骨，如圖6所示。

3.4 曲線段殼體肋骨建模

因為AUV的頭部和尾部是流線型，所以肋骨橫截面的幾何形狀不同于平行中段，在靠近殼體的一端變成了曲面，頭部曲線段殼體的剖面幾何形狀如圖7所示?？紤]到各段殼體采用相同的肋骨，所以建立頭部和尾部肋骨幾何模型的關鍵是確定肋骨橫截面的型值點坐標。

圖7 頭部肋骨的橫截面

由圖7可知，如果能夠確定型值點F和C兩點的坐標，根據(jù)這兩點的坐標，引入平行中段肋骨的橫截面幾何參數(shù)，就可以確定頭部和尾部肋骨橫截面其余的型值點坐標。

型值點F和C的坐標可以通過頭部曲線上軸向坐標相同的A點和B點求出，A(xA, yA)和F(xF, yF)之間、B(xB, yB)和C(xC, yC)之間存在幾何關系如下：

由于頭部曲線的型值點坐標已經(jīng)由線型方程確定并輸出到型值點文件中，所以本文計算A點和B點坐標的方法是通過選取A點（B點的計算方法相同）附近的兩個型值點M(xM, yM)和N(xN, yN)進行插值求出點A縱坐標的近似值（如圖7所示），用以替代精確坐標值，然后再計算出F點的縱坐標。文中采用拉格朗日插值法來計算A點的縱坐標近似值，為盡可能減小插值方法的誤差，可以對曲線段的型值點進行加密處理。

計算型值點A縱坐標的拉格朗日插值多項式如下：

計算型值點B縱坐標的拉格朗日插值多項式如下：

3.5 冗余特征參數(shù)處理

AUV參數(shù)化幾何建模是基于特征參數(shù)進行的，特征參數(shù)的提取的合理性是AUV參數(shù)化幾何建模成功與否的決定性因素。AUV特征參數(shù)的提取建立在對AUV的幾何模型分析的基礎上，同時要考慮到模型幾何參數(shù)的相關性，避免冗余參數(shù)的出現(xiàn)。文中的AUV幾何模型存在著三組相關參數(shù)：1）主體的軸向總長度和各分段軸向長度之間的相關；2）尾部曲線段后端面直徑、尾錐段軸向長度、AUV尾錐段后端面直徑和尾錐半角之間的相關；3）通常AUV鰭、舵后緣后掠角為直角，因此鰭舵根弦長、梢弦長和前緣后掠角之間存在相關。在每組參數(shù)中，有一個參數(shù)為冗余參數(shù)，在提取特征參數(shù)時應基于AUV設計的要求剔除該參數(shù)。

在設計AUV過程中，由于頭部、平行中段和尾部曲線段主要用來安裝內部組件，應保證有足夠的內部容積，因此其頭部長度、平行中段長度、尾部曲線段長度和尾部曲線段后端面直徑由設計任務書提出要求，在一定范圍內取值；此外，AUV與發(fā)射裝置之間應能夠兼容，因此AUV的平行中段直徑和總軸向長度也是由設計指標預先確定的。因此AUV主體幾何模型的幾何參數(shù)中，尾錐段長度和尾部曲線段后端面直徑為冗余參數(shù)，予以剔除。

由于鰭舵的流體動力性能取決于主體外鰭舵的面積、軸向長度和前緣后掠角，因此鰭舵的梢弦長和前緣后掠角是主要關注的參數(shù)，根弦長可以作為冗余參數(shù)，予以剔除。

4 功能實現(xiàn)

根據(jù)AUV是具有曲面外形和環(huán)肋加強薄壁結構的特點，以及特有的設計方法與流程，本文選擇UG NX7.0作為二次開發(fā)平臺，以內部模式創(chuàng)建參數(shù)化幾何建模的應用程序。UG NX 7.0提供了功能強大的二次開發(fā)模塊UG/OPEN API，使用該工具可以開發(fā)出基于UG系統(tǒng)的應用程序，實現(xiàn)其他軟件和UG的無縫集成，滿足用戶的特定要求[12]。

4.1 創(chuàng)建VC++工程

本文利用UG提供的應用程序向導UGOpen.aw x實現(xiàn)內部模式程序框架的構造，該向導包括V 18和NX兩個版本，操作簡單，運行穩(wěn)定，可以快速構建開發(fā)體系，其生成的DLL文件可以在UG NX7.0下運行。工程中具體的關鍵設置如下：

1) 創(chuàng)建VC++工程，在應用程序向導的項目列表中選擇“Unigraphics NX AppW izard V1”，并選擇應用程序類型為“An internal application that can be activated from a Unigraphics session(dll)”，創(chuàng)建一個DLL(動態(tài)鏈接庫)工程。該工程的編譯結果是一個規(guī)則DLL，將以內部模式在UG中運行。

2)修改工程設置。打開“ProjectSettings”對話框，找到“L ink”選項卡，在“Ob jec t/library module”編輯框中添加“l(fā)ibufun.lib”、“l(fā)ibugopenint.lib”和“l(fā)ibvmathpp.lib”三個庫文件。

3)在工程中添加UG應用程序的入口函數(shù)ufsta、卸載函數(shù)ufusr_ask_unload以及相應的UG/OpenAPI頭文件。

4.2 實例驗證

西北工業(yè)大學水下航行器研究所基于多學科設計優(yōu)化技術和計算機技術的研究成果，開發(fā)了面向AUV總體概念設計的多學科優(yōu)化集成平臺-AUVMDOP(AUV concept multidisciplinary design optim ization integrated platform)，解決了長期以來AUV多學科設計優(yōu)化缺少計算平臺支撐的困境。AUVMDOP中集成了基于UG NX7.0的AUV參數(shù)化幾何建模模塊，實現(xiàn)了AUV幾何模型的自動更新，能夠為CFD和FEA提供精確統(tǒng)一的分析對象，并為其它學科分析提供必要的AUV幾何特性參數(shù)。

AUVMDOP啟動優(yōu)化程序后，系統(tǒng)會調用并運行UG NX7.0軟件，UG軟件自動加載以內部模式開發(fā)形成的AUV參數(shù)化幾何建模動態(tài)鏈接庫文件Torpedo_UG.dll，實現(xiàn)幾何模型的更新，如圖8所示。

圖8 UG NX7.0自動運行DLL的過程

限于篇幅，本文在此處僅給出兩個優(yōu)化后的AUV實例：AUV-A和AUV-B。AUV-A的最大直徑為533.4mm，長度為7000mm，頭部采用格蘭韋爾雙參數(shù)平方根多項式圓頭線型，尾部采用格蘭韋爾平尾線型，肋骨模型采用T型肋骨；AUV-B的最大直徑為324mm，長度為2790mm，頭部采用格蘭韋爾雙參數(shù)立方多項式平頭線型，尾部采用格蘭韋爾尖尾線型，肋骨模型采用L型肋骨。AUV幾何模型的主要幾何特性參數(shù)如表1所示。

表1 AUV幾何模型的特性參數(shù)

5 結論

本文基于AUV總體概念設計多學科優(yōu)化對參數(shù)化幾何模型的要求，分析AUV的參數(shù)化幾何模型特征，確定了建模的方法和流程，并以UG NX7.0為平臺進行二次開發(fā)，運用Visual C++6.0工具，深入到UG系統(tǒng)內部，創(chuàng)建了AUV參數(shù)化幾何建模的應用程序。本文中參數(shù)化幾何建模的方法具有如下特點：

1）該方法滿足AUV總體概念設計對參數(shù)化幾何建模的要求，不僅可以導出學科分析幾何模型，也可以準確地計算模型的幾何特性，可以集成到多學科設計優(yōu)化平臺中，推動AUV多學科優(yōu)化計算環(huán)境的發(fā)展。

2）針對AUV的幾何模型特征，在CAD建模過程中解決了特征曲線控制、肋骨轉化、冗余參數(shù)處理、曲線段殼體肋骨建模等關鍵技術。

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