0 引　言

传统舰船设计流程中，流体动力性能与型线设计往往被视为先后或并行的2个独立环节，流体动力性能主要关注船体的线形，通常以降低船体阻力、确保航速与能效为核心；而外观结构则关注船体各个部分的结构形状和视觉效果。这种独立的设计方式导致内外设计目标的冲突，例如为追求低阻力而牺牲内部空间的合理性^[1]，或为追求视觉冲击而增加不必要的雷达散射截面积（RCS）和流体噪声，最终制约舰船作为复杂系统产品的整体最优解。

基于上述情况，李金成等^[2]为实现舰船设计，将舰船布局作为设计优化目标，通过两阶段的设计方式，细化舰船结构，并采用NSGA-II算法与混合装箱算法进行优化目标求解，获取合理的优化设计方案；但是，该方法在应用过程中，仅针对舰船布局结构，未考虑舰船的流体动力性能，无法确保设计后舰船的效用能力。魏骁等^[3]为实现舰船的优化设计，将不确定参数（如波浪载荷、材料属性、环境条件等）表示为多项式基函数的线性组合，依据确定舰船的优化内容，设计优化性能指标和可靠性指标，并利用最大熵法（MEM）进行求解，以此获取最优设计方案解集；然而该方法聚焦设计流程优化，对舰船本体的型线设计与流体动力性能的直接关联设计支持有限。杨元龙等^[4]为实现舰船设计，运用SysML需求图明确动力系统的功能、性能、约束等要求，建立需求与功能、架构的关联关系，结合内部块图（IBD）进行架构的仿真模拟和分析，以此确定最佳的性能设计结果；但是，该方法主要服务于工程部件布局，对船体曲面的型线设计与流体动力性能协同设计支持不足。欧阳嘉懿等^[5]为实现舰船设计，对舰船各个结构部分进行二维建模，在此基础上利用CAD软件的放样和扫描功能生成三维几何模型，并通过不同结构参数的模拟计算舰船的流动性，以降低船体阻力为目标，优化流体动力性能的设计效果；但是该方法侧重于流体动力性能的本体设计，无法考虑舰船型线设计。

工业设计视角核心是从“人-产品-环境”协同出发，在协同设计中，优美的形态本身即是高性能的体现，形式与功能在此达成深层次的共生，通过流畅、稳定的型线设计线条增强船员的安全感与归属感，同时提升舰船在环境中的功能性。

1 舰船型线设计与流体动力性能协同设计 1.1 工业设计视角下的舰船设计核心工程数据 1.1.1 舰船设计核心工程数据结构

在工业设计视角下，利用船体设计核心工程数据库为设计提供全面的船体工程数据。工业设计视角下的舰船设计核心工程数据结构示意如图1所示。

可知，舰船设计核心工程数据涵盖主船体、曲面分块、船站、型线等7类关键数据，其中型线作为核心设计对象，与船站共同构成船体曲面的横纵框架，型值点通过控制曲线段形状直接影响型线形态，进而关联流体动力性能参数，为协同设计提供了完整的数据链路支撑。舰船设计核心工程数据中各类数据的详细内容如下：

1）主船体数据。其包含主船体的整体特征数据，代表主船体的整体特征，为整个主船体的设计提供基础的全局信息。

2）曲面分块和曲线段。其包含船体各个分块的设计数据和特征以及各个分块之间的连接线，如连续的直线段、圆弧、Nurbs曲线段等，实现对型线和船站形状精准描述，保证船体曲面几何连续性。

3）船站。其是构建船体曲面的横向骨架，与型线共同构成主船体曲面的横纵框架。

4）型线、型线类别。船体的型线特征数据，为船体纵向形态以及流体动力性能设计提供支撑。

5）型值点。其是曲线段的构成单元，包含船体的所有空间三维数据，通过调整型值点的坐标可以精确控制曲线段的形状，进而调整型线、船站乃至整个船体曲面的形态和流体动力性能。

1.1.2 舰船设计结构化几何数据组织方式

工业设计视角下的舰船设计核心工程数据中，各类舰船设计数据之间相互关联，其中主体曲面作为舰船主体的主要外观设计内容，其是由船站和型线组成，而船站则包含船体纵轴垂面内的所有曲线段数据。同时，该站作为主船体外观曲面网状拓扑结构的关键节点之一，是通过放样算法对曲面分块曲线段处理后形成。曲线段则是船站和型线交叉对应的型值点组成。利用这些数据关联和调整后，即可为舰船型线设计和流体动力性能协同设计提供全面的工业设计数据。舰船设计结构化几何数据组织方式如图2所示。

图2清晰展示了结构化几何数据的组织关系，主船体外观曲面由船站和型线通过放样算法生成，船站包含纵轴垂面内的曲线段数据，曲线段由型值点组成，这种层级化的组织方式使得型值点、曲线段等底层数据的调整能够实时传递至型线和船体曲面，实现外观形态与流体性能的联动优化。船站作为“横截面”、型线作为“脊线”，通过放样算法生成曲面分块，能精准构建舰船的三维曲面形态，确保型线设计的几何精度，为后续外观细节设计细节提供数字化基础。而流体动力性能高度依赖舰船的曲面形态，调整型值点、曲线段或船站的参数时，能实时驱动船体曲面形态变化；同时，可基于这些几何数据快速计算性能指标（如兴波阻力、附连水质量），从而实现“型线设计调整→性能模拟反馈→造型迭代优化”的协同设计闭环。

1.2 协同设计方法框架 1.2.1 框架结构

为保证协同设计效果，采用基于NURBS曲面方法进行协同设计，该方法能精准描述舰船复杂的曲面形态，无论是舰艄的流线型轮廓、舰体的曲面过渡，还是舰娓的造型细节，都可通过型值点、曲线段的参数化控制实现高精度建模。结合“船站+型线”可通过放样算法生成连续、光滑的船体分块曲面，既满足工业设计对型线设计“流畅性、美学性”的要求，又能精准还原流体力学分析所需的几何细节（如曲率变化、曲面连续性）。NURBS的参数化特性使设计师能通过调整控制点权重、节点矢量等参数，在优化型线设计的同时，同步调控船体曲面的流体力学特性，实现外观美学与流体性能的高效协同。并且该方法具备局部修改能力，可调整单个控制点仅影响局部曲面，不破坏整体形态，实现与造船船体外观和流体动力性之间的无缝对接。基于NURBS曲面方法的协同设计架构如图3所示。

1.2.2 NURBS曲面协同建模

NURBS曲面方法是通过双参数控制的非均匀有理B样条曲面方法，能通过局部和整体的参数调整和控制实现舰船的初级曲面曲线、二次曲面曲线以及自由曲面曲线的设计，形成光滑曲面。NURBS曲面方法的参数控制机理如图4所示。

可知，NURBS曲面通过控制顶点矩阵形成的双向控制网格构建曲面骨架，借助B样条基函数的局部支撑性和权重因子的调节作用，实现对型线曲线的精准控制。双参数的设置使得横向和纵向调整可独立进行且互不干扰，既保证了局部曲面的细化优化，又维持了整体形态的连续性。

如果该方法的控制顶点用O(x,x)表示，其中$ x $和$ y $分别为2个方向上的控制参数，则结合顶点的权重因子w_o，O(x,x)计算式为：

$ O\left(x,x\right)=\frac{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{n}\sum\limits_{j=0}^{m}{w}_{o}{O}_{i,j}F_{i}^{k}\left(x\right)F_{j}^{l}\left(y\right)}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^{n}\sum\limits_{j=0}^{m}{w}_{o}F_{i}^{k}\left(x\right)F_{j}^{l}\left(y\right)}。$

(1)

$ \left\{\begin{aligned} &F_{i}^{0}\left(x\right)=\left\{\begin{aligned} &1,{y}_{1}\leqslant y \lt {y}_{i+1}，\\ &0,其他。\end{aligned}\right. \\ &\vdots \\ &F_{i}^{k}\left(x\right)=\frac{x-{x}_{i}}{{x}_{i+k}-{x}_{i}}F_{i}^{k-1}\left(x\right)+\frac{{x}_{i+k+1}-x}{{x}_{i+k+1}-{x}_{i+-}}F_{i+1}^{k-1}\left(x\right)。\end{aligned} \right.$

(2)

式中：$ {O}_{i,j} $为控制点矩阵形成的2个方向上的控制网格，即是舰船曲面形状的骨架；$ F_{i}^{k}\left(x\right) $和$ F_{j}^{k}\left(y\right) $分别为2个方向上的第$ k $次和第$ l $次的B样条基函数；$ n $和$ m $分别为控制点矩阵在$ x $方向（行数）和$ y $方向（列数）的控制点数量；$ {x}_{i} $为$ x $中的任意节点。

式(2)为$ x $方向上的第$ k $次B样条基函数计算公式，由于NURBS曲面是双参数，因此$ y $方向的第$ l $次B样条基函数形式与式(2)完全对称，因此其计算原理与式(2)一致。

依据上述内容即可完成舰船整体的外观骨架曲线设计，并且结合实际需求，调整局部控制点，即可改变船体外观曲面以及流体特性，保证设计结果满足需求。在调整过程中，能够实现横向和纵向的分别调整，2个方向的调整内容如下所述：

1）横向调整

横向局部控制点调整主要是沿生成的舰船曲面形状骨架的横剖面曲线段形成的弧形进行调整，以此改变舰船外观的数据（如尺寸等）和流体性能数据（阻力大小等），使设计结果满足工业角度的设计需求。如果横向的初始坐标和终点坐标分别用x₀和x_e表示，其计算公式为：

$ \left\{\begin{aligned} &{x}_{0}=\frac{{H}_{o}}{\xi }，\\ &{x}_{e}=\frac{{H}_{e}}{\xi }。\end{aligned} \right.$

(3)

式中：H_o为初始水线半宽；$ \xi $为比例缩放系数。

结合式(3)算船体横向外观曲线形态和流体动力性能特征的协同函数$ \eta $，其公式为：

$ \eta =\frac{{H}_{o}}{\xi }{w}_{o}+R{w}_{R}+\frac{{H}_{e}}{\xi }{w}_{e} 。$

(4)

式中：w_o、w_R、w_e分别为初始点坐标、初始点曲率半径$ R $、终点坐标在弧形表面中所占的权重。

2）纵向调整

纵向调整则主要是沿生成的舰船曲面形状骨架的纵剖面曲线段形成的弧形进行调整，该调整主要以流体动力性能为核心，调整外观纵向比例时，能同步评估对航行稳定性的影响。船体前、后部分浮心纵向位置的调整公式为：

$ \left\{\begin{aligned} &\overleftarrow{y}=\frac{{y}_{c}-\overleftarrow{S}}{{S}_{0}-\overrightarrow{S}}，\\ &\overleftarrow{y}=\frac{{y}_{c}-\overrightarrow{S}}{{S}_{0}-\overleftarrow{S}}。\end{aligned}\right. $

(5)

式中：$ {y}_{c} $为浮心纵向位置；$ \overleftarrow{S} $和$ \overrightarrow{S} $分别为舰船前、后部分平行中体长度；S₀为最大纵剖面和船艏距离。

通过上述横向和纵向的调整方法即可完成舰船的各个部分的设计调整，以此保证舰船型线设计与流体动力性能协同设计。

2 测试结果与分析

为测试文中协同设计方法的应用效果，以某工程作业船为例展开相关测试，该船舶的相关参数如表1所示。

以该船舶的工业工程数据库为基础，进行该船舶的型线设计和流体动力性能协同设计，通过NURBS曲面协同建模进行船体部分分块曲线段顶点控制，控制结果如图5所示。可知，文中方法在进行设计时，通过NURBS方法对尾部曲面进行局部顶点控制后，顶点分布呈现出局部密集、整体平滑的特点，同时可通过调整控制顶点实现对尾部曲面纵向弧线与横向剖面形状的协同设计。并且，各个控制顶点在空间中的合理排布保证尾部曲面视觉上的流畅与协调，符合工业设计对“形态美学”的要求。

为测试舰船型线设计与流体动力性能协同设计效果，通过文中方法进行协同设计，获取船体局部完整曲面生成结果，如图6所示。可知，以文中方法进行船体局部完整曲面生成后，曲面呈现出高度连续与平滑过渡的几何特征，无明显折痕或曲率突变；并且曲面在纵向与横向均保持曲率一致性，过渡区域表现出自然收束与延展，线条流畅；船头位置曲面具备较好的光顺性和流体特点，可降低兴波阻力与摩擦阻力，不仅实现曲面的高精度建模与美学表达，还为流体性能优化提供可靠的几何基础，体现工业设计视角下“形效协同”的先进设计理念。

为进一步测试文中方法的设计效果，进行船舶型线设计和流体动力性能协同设计，获取协同设计后的浮心纵向位置（设计标准为浮心纵向位置变化不超过士1%），测试结果如表2所示。可知，文中方法进行协同设计后，10个控制顶点的浮心位置变化均控制在0.47%～0.63%之间，远低于±1%的设计上限，即便各个控制点的曲面曲率存在变化和差异，其依旧能够可靠完成浮心位置设计，能通过调整控制点，严格控制如浮心位置的偏差，确保设计结果在工程上的可行性与性能上的可靠性。

为验证所提协同设计方法的优越性，选取阻力系数、兴波阻力、总阻力及美观度作为核心评价指标开展对比实验，实验结果如表3所示。

可知，相较于传统独立设计流程，本文方法的总阻力降低10.93%，兴波阻力降低15.49%，阻力系数降低11.83%，美观度得分提升22.67%。这表明所提协同设计方法通过NURBS曲面双参数控制，实现了型线形态与流体动力性能的深度适配，既显著优化了航行阻力相关指标，又保障了船体形态的美学性。

3 结　语

为实现船舶型线设计和流体动力性能协同设计，提出工业设计视角下舰船型线设计与流体动力性能协同设计方法。该方法创新性将舰船主船体 “船站-型线-曲线段-型值点”的工程数据结构与 NURBS曲面的数学表达深度耦合，打通从型值点、曲线段到整体曲面的数据链路，支持局部精细化调整与全局性能控制的统一，构建“几何参数化→性能量化→造型迭代”的闭环设计模型，确保舰船的“形-效协同”设计效果。