改进Catmull-Clark细分算法及其在船用螺旋桨设计中的应用-王艳华

来源：网络收集时间：2026-07-11

导读：改进Catmull-Clark细分算法及其在船用螺旋桨设计中的应用 2 王艳华1，苏洲2 2河海大学机电工程学院，江苏常州213022 摘要：基于舰艇作战或巡航时隐身性能的需要，针对舰艇关键零件的设计和加工制造现状，结合应用日益广 1海军潜艇学院，山东青岛266042

改进Catmull-Clark细分算法及其

在船用螺旋桨设计中的应用

王艳华1，

苏

洲2

2河海大学机电工程学院，江苏常州213022

摘

要：基于舰艇作战或巡航时隐身性能的需要，针对舰艇关键零件的设计和加工制造现状，结合应用日益广

1海军潜艇学院，山东青岛266042

泛的细分曲面造型方法，以Catmull-Clark细分算法为基础，提出一种基于网格边光顺程度计算的自适应细分算法。将该算法应用于船用螺旋桨的设计数值实验，由建模软件3DSMAX及其内部编程语言MAXScript来实现，并将实验结果与原始的Catmull-Clark算法细分结果、传统的顶点或边曲率法自适应细分结果进行了比较。数值实验结果表明，在满足零件设计现实需求的前提下，该自适应细分算法能较好地减少网格数量：当边的光顺度阈值取为0.825时，网格数降低了约28.83%，可提高计算速度，减小存储空间。该算法能克服以往基于均值计算的自适应算法存在的区分能力不足的影响。

关键词：舰艇隐身；关键零件；Catmull-Clark细分算法；自适应中图分类号：U664.33

文献标志码：A

文章编号：1673－3185（2012）05－50－05

AnImprovedCatmull-ClarkSegmentationAlgorithmandItsApplication

intheDesignofMarinePropellers

WANGYan-hua1，

SUZhou2

2CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，HohaiUniversity，Changzhou213022，ChinaAbstract：Toimprovethestealthperformanceofnavalshipsduringcombatsorcruising，anadaptivesub divisionalgorithmbasedontheEdgeSmoothValueofmesheswasproposedinthispapertorefinepresenttechniquesofcriticalshippartsdesignandmanufacturing.ThisalgorithmisbasedontheCatmull-Clarksubdivisionalgorithm，andincorporatestheincreasinglypopularapplicationofsubdivisionsurfacemodel ing.Totestthealgorithm，severalnumericalexperimentsofmarinepropellerdesignwereconductedresort

1NavySubmarineAcademy，Qingdao266042，China

ingtothemodelingsoftware3DSMAXanditsinternalprogramminglanguageMAXScript.Theexperimen tionalvertexoredgecurvature-basedadaptivesubdivisionalgorithm.Ithasbeenfoundoutthatthenewadaptivesubdivisionalgorithmgreatlyreducesthetotalgridnumber：whenthethresholdofEdgeSmoothValueissetto0.825，adeductionof28.83%occursingridnumber，whichsignificantlyimprovesthecal foundinotheradaptivealgorithmsfordistinguishing.

talresultswerethencomparedwiththeoriginalCatmull-Clarksubdivisionalgorithmaswellastheconven

culationspeedandreducestherequireddatastoragespace.Also，thisalgorithmcansolvetheinadequacyKeywords：stealthofvessels；keyparts；Catmull-Clarksubdivisionalgorithm；self-adaption

收稿日期：2012－02－27

作者简介：王艳华（1976－），男，硕士研究生，讲师。研究方向：机械设计。E mail：wyh7622@

苏

洲（1967－），男，博士，副教授。研究方向：细分曲面造型、特征识别、机械设计。

通信作者：王艳华。

0引言

舰艇作为各国海军的重要国防力量，其优良的生存能力是衡量技战术性能的重要指标，其中就包括提高其自身隐身性能、减小被探测到的几率的能力。与军事强国相比，目前我国海军舰艇的隐身性能依然存在着一定的差距。提高舰艇隐身性能的方法很多，其中，在涉及舰艇隐身性能的关键零件的设计制造过程中，改进设计造型方法，主动提高舰艇零件的设计制造精度，降低可能产生的噪声辐射的等级或雷达反射波等就是一项行之有效的措施［1］。学术界认为，舰艇噪声辐射已成为影响舰艇隐蔽性的主要因素［2］，并且公认螺旋桨噪声是最主要的舰船噪声源［3］。但在舰船及其相关零部件的优化设计制造方面，我国目前还涉及较少。因此，在进行舰艇设计、制造时，对一些涉及舰艇隐身性能的关键零件，如螺旋桨等，有必要进行深入的声隐身性能研究，尽量使之符合降噪消音的原理，然后采用先进的造型方法，如自适应细分曲面技术来实现造型，用以在工作中就能达到降低噪声辐射的目的。在此，本文将只对其中的造型实现方法进行详细研究。

目前，国内外学者已对自适应细分造型方法进行了一定的研究，并也提出了一些行之有效的自适应细分算法和相关技术［4-8］。但这些算法在工程实践中仍然存在一定的局限性，特别是在舰艇零件设计方面的应用更少，这主要是因为现有的这些自适应方法在实现的过程中，其数值的计算受均值思想影响较重，对于控制网格光顺区域和非光顺区域的区分能力不足，从而使得部分已光顺区域网格过密。同时，对于模型中的一些尖锐特征和过渡区域，不能做出准确的判断，导致模型细分结果与极限曲面间的误差较大。本文将结合舰艇隐身性能的需要，以Catmull-Clark细分算法［9］为基础，提出一种能解决上述问题的自适应细分策略。

1Catmull-Clark细分算法

该细分模式由Catmull和Clark于1978年提

出，是一种针对以四边形网格为主的多边形控制网格的细分方法，细分曲面的极限是双三次B样条曲面，其规则包括两部分：几何规则和拓扑规则。

1.1几何规则

控制网格的新面点、C-C细分模式的几何规则主要是计算并生成

新边点和新顶点，具体细分面

如图1所示。

1/16

1/16γn/n

1/41/4βn

βn/n

1/4

3/83/8n/αβn/n

n（a）F-顶点

（1/16

b）E-顶点

1/16

（c）V-顶点

（1/2

d）边界E-顶点1/2

（1/8

e）边界3/4

V-顶点

1/8

Fig.1图1C-CC-Csubdivision细分模式几何规则

geometricrules

新面点，即F-顶点，如图1（a）所示。设原顶点分别为v1v2v3v4：

vF=4

(v1+v2+v3+v4)（1）

新边点，即E-顶点，如图1（b）所示。设原顶

点分别为v0v1v2v3v4v5：

vE=38(v0+v1)+116

(v2+v3+v4+v5)

（2）

新顶点，即V-顶点，如图1（c）所示：

βn2n-1γn2n-1

vV=αn+nåv2i+v2i+1（3）

i=0nåi=0

式中，βn=32n；γn=14n

；αn=1-βn-γn；n为顶

点的价。

边界E-顶点如图1（d）所示，设原顶点分别为v0v1：

vE=2

(v0+v1)（4）

边界V-顶点如图1（e）所示，设原顶点分别为v0v1v：

vV=(v0+v1)+384

（5）

1.2拓扑规则

面点和新顶点分别与新边点相连接，C-C细分模式的拓扑规则比较简单，由此生成一就是新

张新的控制网格。

1.3Catmull-Clark细分实验结果

利用三维建模软件3DSMAX及其内部编程

语言MAXScript，即可实现原始C-C细分算法（图2数增长。

），并且可以知道，模型控制网格的数量呈几何级2

基于Catmull-Clark模式的自适

应细分算法

仔细观察图2可发现，模型控制网格的数量

（a）初始控制网格（b）细分1次后的控制网格

（网格面片数15）

（网格面片数60）

（c）细分3次后的控制网格

（d）细分4次后的光照图（网格面片数960）

（网格面片数3860）

图Fig.22管路三 …… 此处隐藏：3353字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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