基于CAD二次開(kāi)發(fā)的V型無(wú)壓載水船

張明霞， 李 崗， 趙正彬， 秦帥帥

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

目前運(yùn)營(yíng)的船舶一般會(huì)設(shè)置壓載水艙，并在一定情況下注入壓載水。船舶在空載時(shí)注入一定量壓載水可調(diào)整船舶浮態(tài)、抵抗風(fēng)浪、保證足夠的艉吃水等。由此可見(jiàn)，壓載水對(duì)船舶安全航行起著非常重要的作用，但是壓載水的排放也對(duì)海洋環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅，已經(jīng)被國(guó)際海事組織(IMO)宣布為海洋面臨的“四大危害”之一[1]。

壓載水對(duì)環(huán)境及人類健康的危害是無(wú)法估量的，為此IMO出臺(tái)相關(guān)規(guī)范控制壓載水的排放，降低壓載水帶來(lái)的危害。2014年，IMO通過(guò)了《國(guó)際船舶壓載水和沉積物管理與控制公約》，2016年9月8日，芬蘭加入了壓載水公約，公約正式達(dá)到生效條件，并于2017年9月8日正式實(shí)施。為滿足規(guī)范要求，需對(duì)壓載水進(jìn)行處理，目前正在研究的處理方法[2]主要有：物理處理法、化學(xué)處理法以及生物處理法。但是，目前的壓載水處理方法各有利弊，很難完全消除壓載水帶來(lái)的危害。

國(guó)外有些國(guó)家創(chuàng)新性地提出無(wú)壓載水船舶，典型的船型有日本的V型無(wú)壓載水船[3]、美國(guó)的貫通流船體[4]、荷蘭的單一結(jié)構(gòu)船體[5]。V型無(wú)壓載水船采用V型船底，并同時(shí)增大船寬，實(shí)現(xiàn)空載無(wú)壓載水的目的。貫通流船體采用水流箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓載水艙。當(dāng)船舶空載航行時(shí)打開(kāi)水流箱系統(tǒng)的前后密封蓋，此時(shí)水流箱是個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，海水從船首流入，從船尾流出，減小船體浮力，增加吃水；當(dāng)船舶滿載航行時(shí)關(guān)閉密封蓋，將海水排出，水流箱處于密封狀態(tài)為船提供浮力。單一結(jié)構(gòu)船體在船底部設(shè)置一個(gè)向后開(kāi)放的內(nèi)凹，這種結(jié)構(gòu)能夠增大船體在空載時(shí)的吃水，缺點(diǎn)是在相同的吃水下，與傳統(tǒng)的船型相比具有較大的濕表面積。

國(guó)內(nèi)有些高校已開(kāi)始對(duì)上述3種無(wú)壓載水船設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，并且衍生了組合船型的設(shè)計(jì)方案，如貫通流系統(tǒng)與V型船身的組合船型[6]、V型船身與單一結(jié)構(gòu)體組合船型[7]、雙尾鰭船型與單一結(jié)構(gòu)船身的組合船型[8]等。韋俊凱等[9-10]提出基于橫剖面面積曲線不變的V型無(wú)壓載水船設(shè)計(jì)方法，利用AutoCAD二次開(kāi)發(fā)完成型線快速設(shè)計(jì)，但對(duì)于三維模型文中只研究了三維線框圖，三維實(shí)體模型還有待研究。陳偉華[11]基于母型船的中部主要橫剖面面積不變，保證排水量不變，通過(guò)改變船寬、船長(zhǎng)、型深生成系列V型船身方案，利用NAPA生成系列方案型線。這種型線設(shè)計(jì)方法能夠變換出較多的船型方案，但對(duì)母型船的改動(dòng)較大，NAPA生成系列方案型線的工作量大。官小偉[12]以35 000 t散貨船為研究對(duì)象，基于中部橫剖面面積不變的原則，得出底傾角、船寬、設(shè)計(jì)吃水等3個(gè)變量之間的關(guān)系，并得到60種設(shè)計(jì)方案，但文中并未對(duì)型線的生成進(jìn)行研究，若要手動(dòng)繪制費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效果不好。王琳等[13]基于橫剖面面積曲線不變?cè)恚岢龃_定船底傾角的方法和非平行中體部分型線變換新方法，得到滿足無(wú)壓載水要求的最小船底傾角，該方法能初步確定最小船底傾角，但是并不一定是最佳船型，還要對(duì)其他船底傾角下的方案進(jìn)行研究。

V型無(wú)壓載水船的型線設(shè)計(jì)主要基于母型船的橫剖面面積不變，即設(shè)計(jì)船與母型船每一站處設(shè)計(jì)水線下的橫剖面面積相等。本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)了V型無(wú)壓載水船的型線設(shè)計(jì)方法，同時(shí)研究設(shè)計(jì)船型線和三維模型的快速生成。在前期船舶設(shè)計(jì)工作中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)船型線和三維模型的快速生成，能夠提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 型線設(shè)計(jì)方法

V型無(wú)壓載水船的設(shè)計(jì)原理主要基于母型船的橫剖面面積不變，在保證排水量基本不變的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)船底部呈明顯的V型。但是，這種方法若不考慮底部的平板龍骨，變換出的船型會(huì)在船底部中間位置生成尖形的船底，不利于實(shí)際的建造。圖1為不考慮平板龍骨的V型無(wú)壓載水船與母型船橫剖面對(duì)比情況，由圖可以明顯地看出設(shè)計(jì)船呈現(xiàn)尖形船底。

圖1 尖底的V型無(wú)壓載水船

1.1 平行中體處的型線變換

在現(xiàn)有型線設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的型線設(shè)計(jì)方法，即基于母型船的橫剖面面積不變，保證船長(zhǎng)、設(shè)計(jì)吃水和排水量不變，增大船寬，生成船底傾角，并考慮在傾斜的船底上生成平板龍骨。圖2為母型船與V型無(wú)壓載水船中橫剖面的對(duì)比。

圖2 母型船與V型無(wú)壓載水船中橫剖面對(duì)比

在船體中縱剖面處設(shè)置平板龍骨，平板龍骨的半寬為b0，母型船的半寬為b，設(shè)計(jì)船的半寬為B，二者的設(shè)計(jì)吃水均為d，高度h=(b-b0)tanθ，高度H=(B-b0)tanθ。設(shè)計(jì)船底部?jī)A斜角度為θ，區(qū)域P可近似看成三角形，是生成傾斜船底后減少的面積，區(qū)域Q可近似看成梯形，是增加型寬后所增加的面積。

區(qū)域P的面積為

(1)

區(qū)域Q的面積為

(2)

令SP=SQ，即可滿足在平行中體處設(shè)計(jì)船與母型船每一站處的橫剖面面積相等。同時(shí)，由于在變換中增加了型寬，令B=(1+k)b，且k>0,設(shè)k為變量，將B=(1+k)b代入到SP=SQ，整理可得

b2tanθ×k2+2b(h-d)×k+h2arctanθ=0

(3)

求解可得

(4)

考慮到實(shí)際情況，即使增大設(shè)計(jì)船的型寬，型寬也不可能非常大，所以限定k的取值范圍為0

1.2 非平行中體的型線變換

考慮非平行中體處的型線變換，利用改造母型法中的比例變換法，實(shí)現(xiàn)非平行中體處型線變換。設(shè)計(jì)船的船長(zhǎng)及吃水與母型船保持一致，型寬與母型船不同，因此只需對(duì)每個(gè)型值點(diǎn)處的半寬值進(jìn)行比例變換。

圖3為非平行中體的型線變換示例，在同一吃水高度下，設(shè)y0i為母型船上非平行中體處任意一點(diǎn)的半寬值，yi為設(shè)計(jì)船上相應(yīng)點(diǎn)的半寬值，b為母型船中站面相應(yīng)吃水高度處的半寬值，B1為設(shè)計(jì)船中站面相應(yīng)吃水高處的半寬值，變換函數(shù)為

圖3 非平行中體型線變換

(5)

由上面的變換函數(shù)即可求得設(shè)計(jì)船非平行中體處的半寬值。

2 型線的快速生成

AutoCAD圖形處理軟件廣受工程技術(shù)人員的青睞，用戶遍布世界各地，AutoCAD不僅繪圖功能完備，還是開(kāi)放的結(jié)構(gòu)體系，即用戶可以根據(jù)自己的需要，對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Visual Basic語(yǔ)言功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易學(xué)，適合非專業(yè)人員對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Visual Basic可直接對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將AutoCAD當(dāng)成自己Visual Basic程序中的一個(gè)圖形窗口，對(duì)其進(jìn)行打開(kāi)、繪圖、編輯、打印、關(guān)閉等操作[14]，二次開(kāi)發(fā)實(shí)際上擴(kuò)展了AutoCAD軟件在某方面的特殊功能，幫助用戶實(shí)現(xiàn)自己設(shè)想的功能。

利用Visual Basic 6.0對(duì)AutoCAD 2014進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)型線的快速生成。根據(jù)圖4流程圖編寫(xiě)二次開(kāi)發(fā)程序，繪制設(shè)計(jì)船型線。

圖4 AutoCAD二次開(kāi)發(fā)流程圖

母型船的CAD型線圖比型值表涵蓋的數(shù)據(jù)量更多，且母型船的CAD型線圖一般是光順的。本文通過(guò)對(duì)AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)能在母型船的CAD型線圖中提取型值點(diǎn)，這樣就避免了使用母型船的型值表手動(dòng)繪制型線之后還需手動(dòng)修改型線的問(wèn)題。采用本文提出的改進(jìn)的型線變換思想，以載重量26 000 t油船為母型船，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)軟件可得到船的主尺度及光順的設(shè)計(jì)船型線。母型船的資料如表1和圖5所示。

表1 母型船船型參數(shù)

圖5 母型船半寬水線和橫剖線圖

在軟件中輸入母型船主尺度、設(shè)計(jì)船底傾角以及母型船平板龍骨的寬度等參數(shù)，便可快速得到設(shè)計(jì)船的型寬，獲取母型船的型值點(diǎn)，完成設(shè)計(jì)船型值點(diǎn)的計(jì)算。圖6為二次開(kāi)發(fā)軟件中的船型變換輸入界面。

圖6 二次開(kāi)發(fā)軟件輸入界面

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)軟件可以快速得到設(shè)計(jì)船的主尺度，通過(guò)計(jì)算可得設(shè)計(jì)船的底傾角與設(shè)計(jì)船型寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)船的底傾角與型寬的對(duì)應(yīng)表

續(xù)表2 設(shè)計(jì)船的底傾角與型寬的對(duì)應(yīng)表

變換母型船型線后，可得到V型無(wú)壓載水船的半寬水線和橫剖線，圖7為底傾角θ=14°時(shí)，設(shè)計(jì)船的橫剖線和半寬水線圖。

圖7 設(shè)計(jì)船橫剖線和半寬水線圖(θ=14°)

3 快速建模

船體三維模型的建立是船舶設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)在船舶性能計(jì)算是在三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如計(jì)算船的穩(wěn)性、快速性、耐波性等，并且三維模型還能為后續(xù)設(shè)計(jì)和建造階段的信息集成和共享提供基礎(chǔ)。V型無(wú)壓載水船的設(shè)計(jì)還不夠成熟，船型參數(shù)在前期設(shè)計(jì)中需要反復(fù)修改，并且會(huì)存在多種設(shè)計(jì)方案，因此快速準(zhǔn)確地建立船體三維模型尤為重要。

CATIA軟件最早應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域，現(xiàn)在船舶制造領(lǐng)域也已使用該軟件，該軟件具有強(qiáng)大的曲面生成功能，具有多種二次開(kāi)發(fā)接口[15]，可以提高船舶設(shè)計(jì)過(guò)程的效率和質(zhì)量[16]。V型無(wú)壓載水船快速建模主要由兩部分完成：一是型值點(diǎn)及型線的快速生成；二是曲面及三維實(shí)體的快速建立。圖8為快速建模的主界面。

圖8 CATIA快速建模主界面

3.1 創(chuàng)建型值點(diǎn)和型線

船體的型值點(diǎn)以型值表的方式呈現(xiàn)，在三維建模中，型值表數(shù)據(jù)往往不能直接使用，給數(shù)據(jù)點(diǎn)的導(dǎo)入帶來(lái)不便。在AutoCAD二次開(kāi)發(fā)模塊中，能生成光順的設(shè)計(jì)船型線，繼續(xù)擴(kuò)展此模塊功能，實(shí)現(xiàn)在AutoCAD中提取設(shè)計(jì)船型線的三維型值點(diǎn)，并將型值點(diǎn)導(dǎo)入到CATIA軟件創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊中帶有宏命令的Excel表格，通過(guò)運(yùn)行Excel表格的宏命令可快速在CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊中生成型值點(diǎn)及相應(yīng)的型線。

以載重量26 000 t油船為母型船，以底傾角的V型無(wú)壓載水船為例，其型線如圖7所示。分別將半寬水線和橫剖線的三維型值點(diǎn)導(dǎo)入Excel表。如圖9和圖10所示，StartCurve與EndCurve之間是型線的型值點(diǎn)。

圖9 半寬水線型值點(diǎn)

圖10 橫剖線型值點(diǎn)

三維型值點(diǎn)導(dǎo)入Excel后，要在CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊運(yùn)行Excel中名為Feuil.Main的宏，并在宏命令提示窗口輸入相關(guān)命令。這里輸入的命令是“2”，可以生成點(diǎn)和曲線。其中,命令“1”代表只生成點(diǎn)，命令“3”代表生成點(diǎn)線面。導(dǎo)入的型線如圖11和圖12所示。

圖11 導(dǎo)入半寬水線

圖12 導(dǎo)入橫剖線

圖12所導(dǎo)入的網(wǎng)格線并不完整，對(duì)于比較特殊的曲線，如艏艉輪廓線、艉封板、甲板邊線、舷墻頂線等，上述導(dǎo)入方法并不適用。對(duì)于艏艉輪廓線、艉封板，可以通過(guò)“樣條曲線”命令手動(dòng)添加。本文所研究的快速建模對(duì)模型有所簡(jiǎn)化，不考慮甲板邊線、舷墻頂線等。

3.2 創(chuàng)建實(shí)體模型

在得到船體型線后，需要用曲面命令創(chuàng)建船體曲面。船體曲面是有三維曲度的曲面，平行中體處的曲面曲率變化不大，越靠近艏艉部分船體曲面越復(fù)雜。在平行中體處可用“多截面曲面”命令創(chuàng)建曲面，而艏艉部分和艉封板等使用“填充曲面”命令生成曲面。將生成的曲面封閉后，用“封閉曲面”命令生成實(shí)體模型。

本文研究的三維模型快速生成，其快速性具有相對(duì)性，對(duì)于同一艘母型船變換出的V型無(wú)壓載水船具有相似性，因此可以通過(guò)CATIA進(jìn)程內(nèi)VBA腳本編程方法[17]完成同一艘母型船不同底傾角下設(shè)計(jì)船的快速建模。

以底傾角θ=14°的設(shè)計(jì)方案建模全過(guò)程為模板，錄制建模全過(guò)程的宏命令，并在VBA開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編輯調(diào)試運(yùn)行，將調(diào)試成功的程序運(yùn)行，所得結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 封閉曲面模型

圖14 實(shí)體模型

快速建模方法能夠提高建模效率，較快地完成對(duì)船體三維模型的建模工作。創(chuàng)建船體型線模塊具有很好的通用性，能夠適應(yīng)不同船型；創(chuàng)建實(shí)體模型模塊需根據(jù)母型船的不同錄制不同的宏文件，此模塊通用性較差，但是對(duì)于由同一艘母型船變換得到的設(shè)計(jì)船而言，這種建模方法能夠達(dá)到很好的效果。圖15為根據(jù)上述方法生成的實(shí)體模型，上述方法對(duì)母型船快速建模也是適用的。

圖15 實(shí)體效果圖

4 結(jié) 論

(1) 基于V型無(wú)壓載水船的設(shè)計(jì)理論，改進(jìn)了型線設(shè)計(jì)方法，根據(jù)實(shí)際建造要求在設(shè)計(jì)船底部生成平板龍骨，通過(guò)該方法結(jié)合AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)，快速生成光順的型線圖。但是，在個(gè)別底傾角下，快速生成的設(shè)計(jì)型線艏艉和舭部會(huì)出現(xiàn)不光順的情況，通過(guò)手動(dòng)修改便能滿足光順要求。因此，本文所提出的改進(jìn)型線設(shè)計(jì)方法是可行的。

(2) 在AutoCAD和Excel的協(xié)同下，方便快速地將三維型值點(diǎn)導(dǎo)入CATIA軟件生成點(diǎn)和型線，并且利用CATIA進(jìn)程內(nèi)VBA腳本編程方法實(shí)現(xiàn)快速建模。這種快速建模方法簡(jiǎn)單實(shí)用，不需要大量代碼即可實(shí)現(xiàn)，為V型無(wú)壓載水船多種船型方案的建模及性能計(jì)算(如水動(dòng)力性能計(jì)算)提供方便，具有一定的參考價(jià)值。但是，這種建模方法通用性不佳，對(duì)模型有所簡(jiǎn)化，生成的曲面仍有不光順的部分，需要手動(dòng)修改，后續(xù)工作需提高其通用性及自動(dòng)化。

本文主要研究了型線設(shè)計(jì)方法、型線的快速生成及快速建模，對(duì)V型無(wú)壓載水船的研究處在初步階段，后續(xù)需要對(duì)其他性能進(jìn)行研究，以期得到性能最優(yōu)的V型無(wú)壓載水船設(shè)計(jì)方案。