1. 引言
我们在文 [1] 中,根据实际问题给定B样条曲线的控制多边形的顶点,构造轴线异面管道的拼接管道。在文 [2] [3] [4] 中,假定B样条曲线过某些固定的点,反过来求B样条曲线的实际控制顶点,构造轴线异面管道的拼接曲面。两种方法具有明显的优缺点:前者,拼接管道由多段光滑拼接的管道构成,光顺性较好,应用广泛,不仅能应用于轴线异面圆管道的拼接,还能应用于椭圆管道的拼接,实际应用时加工复杂。后者,拼接管道的构造可根据需要尽量简单,由一段或两段光滑拼接的管道构成,加工容易。但是,应用范围受限,不能应用于轴线异面椭圆管道的拼接。
本文研究四次均匀B样条曲线过控制多边形始末端点的条件,并讨论光滑拼接轴线异面管道拼接问题。
设
和
是两个待拼接的管道表达式,其中a是管道的半径,
分别是
和
时的法矢和副法矢。管道轴线的表达式为
和
2. 过始末端点的四次均匀B样条曲线
定义1设
是四次均匀B样条曲线段。其中
为B样条基,
为特征多边形的顶点。
为了使所求B样条曲线过特征多边形的始点
和终点
,我们在
的反向延长线上取
,在
的延长线上取
。在(1)中,可令
,得
并令
,解得
(2)
同理,令
,得
并令
,解得
(3)
式(2)和(3)即为四次均匀B样条曲线过控制多边形的始末端点的条件。
先构造过始末端点的光滑拼接轴线的四次均匀B样条曲线。
例1设
,分别取
和
。带入公式(2)和(3),分别得
,
,
,
,
,
。用以上三组点序列为顶点
的四次均匀B样条曲线拼接轴线异面管道的表达式为
(4)
(5)
(6)
是三条三段连续的四次B样条曲线。
分别与异面轴线拼接效果如图1:

Figure 1. When V2 takes
and
respectively, the effect diagram
图1. V2分别取
和
时,与异面轴线拼接效果图
由例1可以看出:
1) 用过始末端点的四次均匀B样条曲线光滑拼接异面轴线,与 [1] 一样也需要三段曲线;
2) 曲线位置与
的位置相关,
在上,拼接曲线位于上侧;
居中,拼接曲线在中间;
在下边,拼接曲线在下侧;
3) 从拼接效果看,轴线拼接效果没有太大差异,光滑度很好。
3. 过始末端点的四次均匀B样条曲线及其在轴线异面管道拼接中的应用
基于轴线光滑拼接的异面管道拼接方法,在 [5] [6] [7] [8] [9] 中进行了详细讨论。下面考察过控制多边形始末端点的四次均匀B样条曲线在管道拼接中的效果。
例2设
和
构造以轴线
为轴线的圆管道
:
其中,
是三段光滑拼接的圆管道,
和
是构造的B样条曲线的主法矢和副法矢。其拼接效果如图2:

Figure 2. When
, circular pipe stitching effect drawing
图2.
时,圆管道拼接效果图
例3设
和
构造以轴线
为轴线的椭圆管道
:
其中,
是三段光滑拼接的管道,
和
是构造的B样条曲线的主法矢和副法矢,
由(5)式给出。
其拼接效果如图3:

Figure 3. When
, the effect picture of elliptical pipeline splicing
图3.
时,椭圆管道拼接效果图
例4设
和
构造以轴线
为轴线的椭圆管道
:
其中,
是三段光滑拼接的管道,
和
是构造的B样条曲线的主法矢和副法矢,
由(6)式给出。
其拼接效果如图4:

Figure 4. When
, the effect picture of elliptical pipeline splicing
图4.
时,椭圆管道拼接效果图
由例2、例3和例4可以看出,在
取定的情况下,用我们所构造的管道拼接轴线异面管道,还需要优化以下几点:
1) 拼接效果与
的选取有关,对于椭圆管道拼接需要优化
的选取方法;
2) 用三段连续的四次均匀B样条曲线为轴线的管道拼接轴线异面椭圆管道,段与段之间能够光滑拼接。要想取得视觉上的光顺效果,还需要用 [8] 中给出的方法,逐步旋转椭圆管道的长半轴与短半轴来实现;
3) 用三段连续的四次均匀B样条曲线为轴线的管道拼接轴线异面椭圆管道,对于异面椭圆管道的长半轴和短半轴的方向有特殊要求,也需要逐步旋转每段拼接椭圆管道的长半轴与短半轴来实现。
4. 结束语
过始末端点的四次B样条曲线为轴线的管道拼接轴异面管道需要三段管道,光顺性取决于控制顶点
的选取。对于椭圆管道拼接更为明显。需要优化
点的选取。尽管相较于插值于两端点的三次有理B样条曲线、插值于制定点的三次B样条曲线和四次B样条曲线段数多,但是段与段之间的光顺程度较好,且能够应用于椭圆管道的拼接。所以,比以上三种情形具有更好的应用前景。
基金项目
国家自然科学基金项目资助(11561052)。
参考文献