基于CATIA的三維船舶靜水力計算研究

曹 晶 陳 明 孫永剛

大連理工大學船舶CAD工程中心，遼寧大連 116024

基于CATIA的三維船舶靜水力計算研究

曹 晶 陳 明 孫永剛

大連理工大學船舶CAD工程中心，遼寧大連 116024

傳統(tǒng)的基于二維插值的近似計算船舶靜水力性能的方法在精度上有不可避免的劣勢，且操作也較為繁瑣。提出了一種基于船舶三維實體模型計算靜水力性能的方法，該方法脫離了二維插值，以三維實體模型為基礎(chǔ)進行計算。在CATIA平臺環(huán)境下，通過制作船舶三維實體模型，再應用VB對CATIA進行功能上的二次開發(fā)來編制船舶靜水力計算程序，從而實現(xiàn)自動提取實體模型信息，并應用這些信息進行靜水力計算。最后，通過一個算例證明了該方法的易于操作性和計算可靠性。

船舶靜水力；CATIA；VB.NET；實體模型

1 引言

CATIA V5在機械、汽車和航空等行業(yè)已得到廣泛應用，但在船舶行業(yè)的應用還處于起步階段。CATIA V5有針對船舶的專用模塊，如船體結(jié)構(gòu)、管系、電氣和風管設(shè)計等［1］。CATIA提供COM／DCOM接口，支持從腳本到VB、VC、Delphi等的通用開發(fā)工具，開發(fā)技術(shù)簡單，運行效率較高，是目前最常用的開發(fā)方法。目前，我國有很多學者在研究CATIA在船舶行業(yè)的應用，但他們大多是關(guān)注CATIA在船舶虛擬裝配、船舶曲面設(shè)計和BOM數(shù)據(jù)提取等方面的應用［2］，而對CATIA在船舶靜水力計算方面的應用卻很少。其中，陳會庭雖在其碩士學位論文中研究過靜水力計算，但也只是利用CATIA建立的船舶線框模型，通過IGS文件接口導入Maxsurf軟件，并利用其Hydromax模塊進行計算［3］。本文關(guān)注于利用CATIA平臺及其提供的方法，通過VB語言來研究船舶在任意吃水下的靜水力計算，以實現(xiàn)計算過程的簡單化、自動化和計算的實時性。

2 基于CATIA的船舶靜水力計算方法

2.1 傳統(tǒng)的二維插值計算

傳統(tǒng)的船舶靜水力計算主要是利用離散數(shù)據(jù)進行插值計算。以橫剖面面積求船舶的排水體積V為例，傳統(tǒng)方法一般是選取每個站的橫剖面面積為離散數(shù)據(jù)，通過數(shù)值積分的方法計算排水體積［4］。該方法的計算精度與選取橫剖面的個數(shù)關(guān)系較大。從理論上講，選取的橫剖面?zhèn)€數(shù)越多，計算精度就越高，當然計算量也會迅速增加。而在實際工程項目中，在誤差允許范圍內(nèi)，一般選取各個站的橫剖面作為計算數(shù)據(jù)，為提高精度，也只是在首尾部增設(shè)橫剖面。可以看出，傳統(tǒng)計算方法在計算精度上具有不可回避的劣勢，且操作也較繁瑣。

本文是基于CATIA船舶三維模型的靜水力計算，與傳統(tǒng)計算不同，它是以船舶實體三維模型為基礎(chǔ)的數(shù)值積分計算，在保證船舶實體模型造型精度的情況下，計算精度有望超過二維插值計算。

2.2 基于CATIA的船舶靜水力計算

本文使用支持OLE和COM的編程語言VB.NET來控制CATIA API函數(shù)進行開發(fā)。VB.NET建立的程序與Windows的操作界面一致，其交互能力強，可以方便地根據(jù)用戶需求進行設(shè)計與修改。本文采用CATIA三維實體特征建模軟件作為圖形平臺。CATIA提供了幾百個API函數(shù)，這些API函數(shù)是CATIA的OLE或COM接口，對其進行二次開發(fā)，就可以建立需要的功能模塊。本文將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以BOM表的形式應用到了后續(xù)的船舶設(shè)計和計算中。SQL Server作為后臺數(shù)據(jù)庫，可提供信息管理模塊供用戶進行數(shù)據(jù)的管理、維護和輸出。其程序結(jié)構(gòu)如圖1所示，程序邏輯流程如圖2所示。

2.2.1 建立實體模型

CATIA通過讀取型值表建立線框模型［5］，再由線框模型建立船殼曲面模型［6］。通過船殼曲面，就可以建立全船的實體模型，該模型只反映船舶的形狀特征，不包含重量等物理屬性［7］。模型直角坐標系統(tǒng)的原點O為尾柱與基平面的交點，其他與船舶坐標系相同，對于模型的形心、慣性矩等值，通過坐標變換即可換算到船舶坐標系中。全船的實體模型是靜水力計算的基礎(chǔ)，可重復使用。

計算程序可提供多種方法描述船舶浮態(tài)。橫傾計算時，只需輸入旋轉(zhuǎn)軸距XY平面的距離C，以及橫傾角φ即可，當C＝0時，即為小傾角橫傾，當C＜＞0時，即為大傾角橫傾?？v傾計算時，只需輸入首吃水df和尾吃水da即可。正浮時，用戶只需輸入吃水d即可。C值的定義如圖3所示。

浮態(tài)確定后，即可構(gòu)造吃水平面，其方法有：

1）從已知平面偏移法。設(shè)CATIA坐標系中的任意平面為參考平面，輸入偏移量和偏移方向，即可獲得需要的平面。該方法適合模擬船舶正浮狀態(tài)下的水線面。

2）從已知平面傾斜法。選定任意平面為參考平面，輸入旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度即可獲得需要的傾斜平面。該方法適合模擬船舶橫傾或縱傾狀態(tài)下的水線面，切割實體如圖4、圖5所示。

3）一般方程法。平面方程可表示為：A·X＋B·Y＋C·Z＝D，通過給定 A、B、C、D 的值，即可獲得平面。

通過上述方法，可獲得任意傾角的平面，這些平面能很好地模擬船舶在任意浮態(tài)下的水線面。獲得吃水平面后，通過調(diào)用CATIA API函數(shù)中的AddNewHybridSplit方法，便可獲得切割實體對象，該切割對象即為水線面下船體形狀，其體積、型心等信息將是進行計算的主要數(shù)據(jù)。計算程序界面如圖6、圖7所示。

2.2.2 提取模型BOM信息

關(guān)于BOM信息，大多文獻主要是利用CATIA提供的 Report工具來提?。?］，但它要求三維模型必須要以零件（part）的格式存在，即建立模型后，必須將模型的各個單元存成單獨的part，這無疑會降低操作靈活性［9］。

本文主要是關(guān)注獲取CATIA中HybridShape的BOM信息。通過VB調(diào)用CATIA中的Inertia類和Measurable類，就可以獲得任意HybridShape的BOM信息，操作非常靈活?？梢蕴崛〉男畔⒂校号潘w積、浮心縱向坐標、浮心垂向坐標、水線面面積、水線面縱向慣性矩、水線面橫向慣性矩、漂心縱向坐標等。

2.2.3 靜水力計算

將獲得的數(shù)據(jù)進行坐標變換后，即可計算靜水力的相關(guān)指標。給定一組吃水d后，根據(jù)本文的方法，便可獲得一組吃水下的靜水力數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)加以利用，便可繪制靜水力曲線圖，并為船舶后續(xù)設(shè)計、性能計算提供數(shù)據(jù)資料。某吃水下的切割實體如圖8所示，提取的實體信息如圖9所示。

3 計算實例

下面將以某型油船為例來進行計算。該型油船的主尺度：Lpp ＝ 219.00 m，B ＝ 32.20 m，D ＝19.20 m。在吃水d＝13.72 m 時，有關(guān)排水量等信息的計算結(jié)果對比如表1所示。

表1 計算結(jié)果對比Tab.1 The contrast of calculation

傳統(tǒng)的二維計算在工程中應用廣泛，其計算結(jié)果也被認可。但從結(jié)果對比中可看出，運用本方法計算的結(jié)果與實船結(jié)果更接近，證實了結(jié)果的可靠性。分析認為，其主要誤差來自于船舶三維實體造型，因為三維實體表達與型值表描述還有一定的差距。計算實例如圖10、圖11所示。

4 結(jié)束語

通過對CATIA進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了船舶任意浮態(tài)的靜水力計算。本文通過建立船舶實體模型，提取模型信息用于船舶靜水力計算的方法，與傳統(tǒng)方法相比，大大降低了計算工作量，而且使靜水力計算過程更加形象化和簡單化，計算結(jié)果也有一定的可靠性。同時，該方法的可重復性強，當船舶型線改變后，只需要重新建立船舶實體模型，即可輕松完成船舶靜水力計算，這也符合船舶的螺旋設(shè)計思想要求。另外，建立的三維模型在船舶設(shè)計的其他環(huán)節(jié)也均可使用，如結(jié)構(gòu)建模、艙室劃分等，使船舶設(shè)計的后續(xù)工作更加便利。

［1］孔慧敏，馬曉平，朱駿.基于CATIA V5的知識工程在船舶設(shè)計中的應用研究［J］.華東船舶工業(yè)學院學報（自然科學版）， 2005，19（3）：84－86.

［2］何朝良.基于CATIA／CAA平臺的虛擬裝配路徑規(guī)劃的研究［D］.南京：南京航空航天大學機電學院，2005.

［3］陳會庭.基于CATIA的散貨船概念設(shè)計方法研究［D］.武漢：武漢理工大學交通學院，2009.

［4］盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.上海：上海交通大學出版社，2003：34－36.

［5］楊小波，柳存根.OATIA V5在船殼曲面設(shè)計中的應用［J］.造船技術(shù)，2004，（1）：30－33.

［6］戰(zhàn)翌婷，劉寅東.三維船體曲面模型建立方法及程序?qū)崿F(xiàn)［J］.船舶，2006，（3）：44－47.

［7］CHEN C L，TAI C L，LIO Y F.Virtual binocular vision systems to solid model reconstruction［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，35（3/4）：379－384.

［8］胡敏，廖文和，李迎光.基于CATIA的明細表信息自動提取和處理 ［J］.機械制造與自動化，2006，35 （3）：89－91，94.

［9］李進，馬曉平，朱駿，等.CATIA環(huán)境下獲取ERP系統(tǒng)中BOM數(shù)據(jù)［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2006，20（2）：65－67.

Calculation of Ship Hydrostatic Based on CATIA

Cao Jing Chen Ming Sun Yong－gang
Ship CAD Engineering Center， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

Using the traditional 2D interpolation－based method to compute hydrostatic performance of ship will result in an unfavorable accuracy and troublesome operation.A new method based on the 3D solid model was proposed， which was constructed in the CATIA environment， and combined to apply VB.NET to develop computing procedures of ship hydrostatic for secondary development.The information required for hydrostatic computation was then automatically extracted from the solid model.The good operability and reliability was proved by an example of tanker calculation.

ship hydrostatic； CATIA； VB.NET； solid model

U662.9

A

1673－3185（2011）02－25－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.005

2010-03-08

曹 晶（1985－），男，碩士研究生。研究方向：智能船舶CAD與集成信息系統(tǒng)。E-mail：caojing333＠hotmail.com

陳 明（1972－），男，教授，碩士生導師。研究方向：智能船舶CAD與集成信息系統(tǒng)。E-mail：chenming@dlut.edu.cn