考虑工程约束的造船精度与搭载分析研究

摘要

船体分段尺度大，在建造过程中容易累积误差。因此，如何提高船体建造精度，减少建造成本，成为了国内外船舶工程学者的重要研究内容。本文针对目前船体分段点集匹配算法的不足和船舶工程的特点，对自动查找并剔除错误测量点方法、考虑工程约束的分段精度测量分析方法和分段搭载方案智能生成方法等造船精度控制相关关键技术进行研究，并开发考虑多约束的造船精度分析与搭载集成系统。具体研究内容如下： 为防止工作人员由于测量失误而带来的少数错误点，如错误匹配点对，离谱错误点等，提出了一种改进的随机抽样一致性（Random Sample Consensus,RANSAC）算法。为了有效地改进标准RANSAC算法，使改进算法不仅能够运用于造船业，还应提高算法的精度和速度，首先利用有效约束条件提前剔除部分错误点，减少了迭代次数，改善了该算法的运算速度；然后在迭代中采用奇异值分解法（Singular ValueDecomposition,SVD）求解变换参数，同时设置合适的阀值，验证并标记外点；最后在迭代结束后，精确地剔除外点，得到最大一致性点集，提高了算法的精度。该算法剔除后的测量点集和设计点集运用于后续的考虑工程约束的船体分段精度测量分析。 在获得较准确的船体分段测量点集和设计点集的基础上，提出了一种基于改进的相干点漂移（Coherent Point Drift,CPD）算法并考虑多种船舶工程约束的点集匹配方法。该方法首先采用改进的CPD算法，可以获得比SVD算法更准确的匹配初值；然后利用层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）自动获取工程约束权值，采用权值向量将工程约束引入到多目标函数中，通过求解多目标模型获得比无约束更加合理的匹配结果。该点集匹配方法的研究主要运用于考虑工程约束的船体分段精度测量分析和带工程约束的分段快速模拟搭载分析。在考虑工程约束的分段精度测量分析方面，该方法能够将全站仪测量获得的测量点集与设计点集进行数据分析，在满足船体分段各方向上的精度要求和多种复杂的工程约束（如，垂直度，水平度，平面度，对称度）的情况下，可获得更合理的分析结果，为实现分段快速模拟搭载分析提供重要的依据。在带工程约束的分段快速模拟搭载分析方面，该方法采用权值向量将直线度，硬点约束等相关的船体分段搭载约束引入到多目标优化函数中，通过求解函数获得了搭载分段最佳定位位置和最合理的修整方案，缩短了建造船体所用设备的占用时间，减少了工作人员的工作量，进而降低了生产成本，提高了搭载效率和建造质量。 基于以上分段精度控制关键技术的研究，本文开发了考虑多约束的造船精度分析与搭载集成系统，增加了工程约束分析模块和自动查找并剔除错误测量点的功能，实现了造船精度分析和搭载的自动化、智能化。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题的背景与意义

1.1.1 选题的背景

1.1.2 选题的意义

1.2 国内外研究现状与方法

1.2.1 船体分段精度测量分析技术

1.2.2 船体分段快速搭载技术

1.3 本文的研究内容与结构

2 标准船体分段精度测量分析

2.1 引言

2.2 点集匹配算法

2.2.1 非配对点集匹配算法

2.2.2 配对点集匹配算法

2.3 基于相干点漂移算法的点集匹配模型

2.3.1 相干点漂移算法基本理论概述

2.3.2 算法的改进

2.3.3 模型求解流程

2.4 实例

2.5 本章小结

3 剔除船体分段错误测量点研究

3.1 引言

3.2 常用的阀值剔除方法

3.3 标准随机抽样一致性算法介绍

3.4 基于改进的随机抽样一致性算法剔除错误点模型

3.4.1 算法的改进

3.4.2 模型求解流程

3.5 实例分析

3.5.1 标准测试实例1

3.5.2 标准测试实例2

3.5.3 船舶工程运用实例

3.6 本章小结

4 考虑工程约束的船体分段精度测量分析

4.1 引言

4.2 船舶精度分析工程约束的数学表达

4.2.1 垂直度

4.2.2 水平度

4.2.3 平面度

4.2.4 对称度

4.3 基于多目标优化模型的精准分析模型

4.4 实例分析

4.4.1 权值调整实例

4.4.2 权值智能生成实例

4.4.3 综合实例

4.5 本章小结

5 考虑工程约束的船体分段快速模拟搭载分析

5.1 引言

5.2 船体分段模拟搭载分析方法

5.3 船舶搭载分析工程约束的数学表达

5.3.1 直线度

5.3.2 硬点

5.4 模拟搭载预匹配模型

5.5 基于多目标优化模型的精匹配模型

5.6 实例分析

5.6.1 标准测试实例

5.6.2 船舶工程运用实例

5.7 本章小结

6 基于Matlab GUI的考虑多约束的造船精度分析与搭载集成系统开发

6.1 引言

6.2 Matlab GUI开发流程

6.2.1 Matlab GUI概述

6.2.2 开发流程

6.3 考虑多约束的造船精度分析与搭载集成系统的设计

6.3.1 集成系统的开发思路

6.3.2 集成系统的组成结构

6.3.3 集成系统的界面展示

6.4 实例验证

6.4.1 实例1

6.4.2 实例2

6.4 本章小结

总结与展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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