一种基于参数化建模的船舶结构设计系统的制作方法

本发明涉及船舶结构设计，尤其涉及一种基于参数化建模的船舶结构设计系统。

背景技术：

1、随着船舶大型化、复杂化以及数字化设计技术的发展，船舶结构设计涉及船体板材、骨材、加强筋、肋骨、纵横构件等大量结构对象，其尺寸参数、位置关系及连接拓扑之间具有较强的关联性，传统船舶结构设计通常依赖计算机辅助设计软件建立三维模型，并由设计人员根据设计要求对结构尺寸、位置及连接关系进行逐项调整。

2、现有的船舶结构设计系统虽借助计算机辅助设计软件进行三维建模，但各结构参数之间缺乏统一的关联驱动机制，调整某一参数时无法自动联动更新相关构件，导致设计协调性不足、调整过程繁琐，且每次变更均需反复人工校核，重复修改工作量大；此外，现有的船舶结构设计系统缺少面向多设计目标的参数化快速调整能力，针对不同方案需求时，无法便捷地批量变更参数并自动再生模型，使得方案优化比选与迭代进程缓慢、效率低下，为此，我们提出一种基于参数化建模的船舶结构设计系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于参数化建模的船舶结构设计系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于参数化建模的船舶结构设计系统，包括解析构建模块、感知封装模块、临界定位模块、参数锁定模块、约束传播模块、模型生成模块、拓扑校验模块以及规范校核模块；

4、所述解析构建模块用于将各类结构设计规范文本拆解为参数依赖逻辑树，并基于参数依赖逻辑树中的每一项规范约束，构建数值势场；

5、所述感知封装模块用于获取船舶结构的初始参数，并计算各参数对模型全局几何拓扑的影响因子矩阵，再基于影响因子矩阵，将船舶结构模型的各参数封装为参数-约束对；

6、所述临界定位模块基于数值势场与所有参数-约束对，定位满足所有要求的临界等势面，同时计算当前参数-约束对距离该临界等势面的最小规范距离向量；

7、所述参数锁定模块用于当用户选定目标结构设计变量时，基于最小规范距离向量，计算该设计变量在满足规范的最优解集，同时用户可在最优解集范围内选择取值，得到合规参数组；

8、所述约束传播模块用于将合规参数组作为输入基底，当用户修改任一结构参数时，依据参数-约束对中的拓扑路径信息，判断下游关联特征的适配策略并完成拓扑自适应修正，得到完整参数集合；

9、所述模型生成模块基于完整参数集合，依据参数-约束对中的拓扑路径信息，按照相应的层级顺序生成船舶结构三维几何模型；

10、所述拓扑校验模块用于逐一核对船舶结构三维几何模型中几何特征的拓扑连接关系与参数约束的对应性，检查是否存在参数传播引发的几何异常；

11、所述规范校核模块用于从船舶结构三维几何模型中提取各构件的参数，并逐一验证是否满足所有规范要求，再根据验证结果，生成校核报告与偏差项提示。

12、作为本发明的进一步方案，所述感知封装模块将船舶结构模型的各参数封装为参数-约束对的具体步骤如下：

13、s1.1：获取船舶结构设计阶段输入的初始参数，并对全部初始参数进行去重校验与工程取值范围校验，剔除重复定义与超出常规工程边界的异常参数，再整合剩余初始参数，形成候选参数集合，随后对候选参数集合进行灵敏度扫描，并在扫描过程中，依次选取每一个候选参数作为扰动变量，在其工程允许的预设区间内施加定量的数值扰动，再全程追踪该扰动引发的模型全局几何拓扑响应，同时记录对应的拓扑变化数据；

14、s1.2：基于各参数的拓扑变化数据，计算各参数对应的全局拓扑影响综合值，并按参数索引与拓扑特征维度进行排列，构建每个参数对模型全局几何拓扑的影响因子矩阵，同时基于影响因子矩阵，将每个参数的全局拓扑影响综合值映射为模型重构失败概率等级，并根据预设的工程概率阈值，将全部候选参数划分为强拓扑关联的硬性参数与弱拓扑关联的柔性参数；

15、s1.3：完成参数拓扑属性分类后，为每个参数匹配对应的几何拓扑依赖路径与关联约束条件，同时结合影响因子矩阵动态计算该参数对应的非对称允许波动域，随后将该参数的数值、几何拓扑依赖路径以及非对称允许波动域封装为统一的参数-约束对。

16、作为本发明的进一步方案，所述临界定位模块计算当前参数-约束对距离该临界等势面的最小规范距离向量的具体步骤如下：

17、s2.1：基于解析构建模块构建的数值势场与所有参数-约束对，以各参数为独立维度，构建与参数-约束对一一对应的多维参数空间坐标系，并将每个参数的初始取值映射为多维参数空间坐标系中的基准原点，同时将各参数-约束对中携带的允许波动域映射为对应维度上的取值区间，完成参数空间构建与边界映射后，将整体采样范围约束在各参数的取值区间之内，并根据各参数的拓扑属性执行差异化采样策略，之后通过逐维度分层布点遍历采样，形成采样点集合；

18、s2.2：获取每个采样点对应的参数组合，并将其代入数值势场，计算该采样点的势场数值，当任一采样点的势场数值≥预设的规范临界阈值时，则判定该采样点为合规点；反之，则判定为不合规点，同时完成全部采样点计算后，将所有采样点划分为合规点集与不合规点集，形成合规区域与不合规区域的离散边界点集，随后基于两类区域的离散边界点集，采用空间插值拟合算法在参数空间中构建连续的临界等势面，并在拟合过程中，模块以数值势场的梯度方向为拟合导向，对硬性参数的曲面进行修正；

19、s2.3：在临界等势面定位完成后，以当前初始参数组合对应的基准原点为起点，向临界等势面做最短距离投影计算，得到从基准原点指向临界等势面的最小规范距离向量，随后基于临界等势面与各参数的允许波动域边界，圈定出同时满足规范约束与拓扑可行性的参数设计可行域范围，再将临界等势面、最小规范距离向量以及参数设计可行域范围下发至参数锁定模块。

20、作为本发明的进一步方案，所述参数锁定模块得到合规参数组的具体步骤如下：

21、s3.1：接收临界等势面、最小规范距离向量以及参数设计可行域范围，同时调取所有参数-约束对，并以参数设计可行域为取值边界，以临界等势面为合规判定基准，以最小规范距离向量为调整方向依据，构建参数锁定运算的约束框架，随后获取用户选定的目标结构设计变量，对于每一个选定的设计变量，匹配其在参数空间中的维度与参数-约束对，并从其中获取对应的拓扑属性、允许波动域以及约束信息，确定目标结构设计变量在参数设计可行域范围内；

22、s3.2：获取用户选定的优化目标，当用户选定的优化目标为满足预设规范时，则沿最小规范距离向量指向临界等势面的方向，再结合可行域边界求解得到设计变量的临界取值区间，当用户选定的优化目标为预设最优裕度时，则沿最小规范距离向量远离临界等势面的方向，结合可行域边界求解得到设计变量的裕度最优取值区间，求解得到的取值区间即为对应目标结构的最优解集，随后用户在最优解集范围内选定该设计变量的参数取值后，将该参数取值映射至参数空间中对应的坐标点位；

23、s3.3：基于参数-约束对中携带的几何拓扑依赖路径与约束条件，逆向驱动与该目标结构设计变量存在关联的结构参数进行联动补偿，并在补偿过程中，以保持整体参数组合处于合规区域内为前提，再结合各关联参数的允许波动域范围计算相应的补偿量，完成全部关联参数的联动补偿后，得到完整的合规参数组。

24、作为本发明的进一步方案，所述约束传播模块得到完整参数集合的具体步骤如下：

25、s4.1：将合规参数组作为拓扑修正运算的输入基底，以每个参数-约束对作为图的独立节点，以参数-约束对中携带的几何拓扑依赖路径作为图的连接边，构建双向约束图，同时接收用户发起的结构参数修改指令，再定位该修改参数在双向约束图中的目标节点，并获取该目标节点对应参数-约束对中的拓扑属性、允许波动域以及路径信息，确定修改后的参数数值是否在该参数的允许波动域范围内，若修改后的参数数值在允许波动域范围内，则更新目标节点的参数取值；

26、s4.2：以更新后的目标节点为起始点，沿双向约束图的连接边进行全路径双向遍历，并在遍历过程中，沿拓扑依赖路径依次检索所有与目标节点存在直接或间接关联的下游特征节点，同步采集每个关联节点对应的拓扑关联强度、参数允许波动域以及当前取值信息，形成完整的下游关联特征集合，随后基于下游关联特征集合，并结合每个特征节点对应的拓扑属性，逐一开展适配策略判定，若为强拓扑关联的特征节点，则判定为强制跟随适配策略；反之，则判定为柔性自适应策略；

27、s4.3：对于采用强制跟随适配策略的特征节点，按照目标节点的修改量与拓扑关联比例，计算得到对应的联动修正量；对于采用柔性自适应策略的特征节点，以最小拓扑畸变为优化目标，在允许波动域范围内求解得到最小能量偏移量，同时在计算过程中同步校验每个节点的修正后取值，随后整合目标节点的修改取值、所有关联节点的修正后取值，以及未受本次修改影响的剩余参数取值，形成完整参数集合。

28、作为本发明的进一步方案，所述模型生成模块按照相应的层级顺序生成船舶结构三维几何模型的具体步骤如下：

29、s5.1：基于参数-约束对中携带的拓扑路径信息，逐一建立每个参数与对应几何特征的映射关系，同时依据参数-约束对中的拓扑层级属性，从完整参数集合中提取基础结构对应的参数子集，并以预设的船体全局基准坐标系为定位基准，生成基础结构的几何实体，基础结构生成完成后，固定其基准平面与轴线位置，随后在已生成的基础结构定位基准上，依据拓扑路径信息中记录的构件依附关系，从完整参数集合中提取次级构件对应的参数子集，依次生成次级结构构件的几何实体，再将次级结构构件装配至基础结构的对应位置；

30、s5.2：依据拓扑路径信息中的细部从属关系，从完整参数集合中提取细部特征对应的参数子集，并在对应次级构件或基础结构的指定位置，依次生成细部几何特征，随后所有层级几何特征生成完成后，整合形成完整的船舶结构三维几何模型，再基于参数-约束对中的拓扑连接要求，逐一校验各构件间的连接状态、贴合精度与相对位置，排查是否存在拓扑断裂或几何干涉，完成拓扑一致性校验后，得到最终的船舶结构三维几何模型。

31、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

32、1、本发明获取船舶结构设计输入的初始参数，并进行去重校验与工程取值范围校验，剔除重复定义及超出常规工程边界的异常参数，形成候选参数集合，随后进行灵敏度扫描，依次选取候选参数作为扰动变量，在预设区间内施加数值扰动，同时追踪模型全局几何拓扑响应并记录拓扑变化数据，再计算各候选参数的全局拓扑影响综合值，构建影响因子矩阵并映射为模型重构失败概率等级，再依据预设工程概率阈值划分强拓扑关联的硬性参数与弱拓扑关联的柔性参数，同时匹配几何拓扑依赖路径、关联约束条件及非对称允许波动域，形成参数-约束对，之后基于数值势场与参数-约束对构建多维参数空间坐标系，将初始取值映射为基准原点，并将允许波动域映射为取值区间，随后依据参数拓扑属性执行差异化采样，计算采样点势场数值并划分合规点集与不合规点集，并拟合连续临界等势面并得到最小规范距离向量，结合允许波动域边界确定参数设计可行域，然后根据目标结构设计变量及优化目标求解临界取值区间或裕度最优取值区间，选定参数取值后联动补偿关联结构参数，得到合规参数组，之后以参数-约束对为节点、几何拓扑依赖路径为连接边构建双向约束图，根据结构参数修改指令进行全路径双向遍历，使强拓扑关联节点采用强制跟随适配策略，使弱拓扑关联节点采用柔性自适应策略，最后依据拓扑路径信息依次生成基础结构、次级结构构件及细部几何特征，形成船舶结构三维几何模型，并校验连接状态、贴合精度、相对位置、拓扑断裂及几何干涉，最终得到船舶结构三维几何模型，能够提高船舶结构参数设计的协调性和调整效率，减少重复修改及人工校核工作量，降低局部参数调整造成的结构失配风险，提高三维几何模型重构的准确性和一致性；同时能够针对不同设计目标快速调整参数，提高方案优化、比选及迭代效率，并减少设计错误和返工，提高船舶结构设计质量。