基于CATIA二次開發(fā)的淺吃水肥大船隧道雙艉型線參數(shù)化設計

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(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

隨著內(nèi)河船舶尺度的逐漸增大，船舶對螺旋槳推力的要求越來越大。對于內(nèi)河淺吃水肥大船來說，由于吃水的限制，螺旋槳的直徑往往達不到船、機、槳三者配合所要求的最佳值。在所限定的范圍內(nèi)，螺旋槳的直徑越大，則推力越大。因此，增大螺旋槳直徑的安放空間是內(nèi)河貨船艉部型線設計的目標之一[1]。同時，為適應內(nèi)河航道彎曲多變的航行條件，提高船舶的操縱性，我國的內(nèi)河貨船一般將船長控制在較短的范圍內(nèi)，導致平行中體的長度往往不夠大。內(nèi)河貨船的艉部型線設計不僅要考慮推進效率的影響，還需保持豐滿的線型以彌補平行中體長度不夠造成的排水量不足。因此，保持豐滿的型線，盡量減小艉部排水量損失也是內(nèi)河貨船艉部型線的設計目標。

1 淺吃水肥大船隧道艉的變換思路

隧道艉型是將艉部縱剖線設計成隧道，使得船艉在螺旋槳的槳盤處具有較大的高度，相較其它艉型，能為螺旋槳的直徑提供更大的安放空間，從而能為內(nèi)河淺吃水肥大船舶的提供更大推力。自從雙槳推進成為內(nèi)河貨船的主要推進形式后，隧道艉型也變演變成了雙隧道艉型。典型的雙隧道艉型的橫剖面見圖1。

圖1 常規(guī)型隧道艉原理示意

這種橫剖面的特征為舷側(cè)浸深t1較小，既能滿足舷側(cè)不吸入空氣的要求，又能使舷側(cè)水流流向槳盤，增加螺旋槳的供水，提高螺旋槳的推進效率。但是該形狀并不豐滿，使得船艉的排水量較小，不能滿足內(nèi)河淺吃水肥大船舶艉部豐滿排水量的要求?；诖?，通過加大舷側(cè)浸深，使橫剖面形狀逐步變得豐滿，加大艉部排水量，得到能夠滿足淺吃水肥大船型要求的橫剖面。見圖2。

圖2 深隧道艉原理示意

圖2中A、B、C、D為隧道艉型的特征點。

A——隧道頂線點，每一橫剖面中的該點連成線得到隧道頂線；

B——隧道過渡線點，每一橫剖面中的該點連成線得到隧道過渡線;

C——隧道外線點，每一橫剖面中的該點連成線得到隧道外線;

D——舭部與舷側(cè)交線點，每一橫剖面中的該點連成線得到舭部與舷側(cè)交線。

這種艉部線型比較豐滿，能提供較大的艉部排水量，從而能彌補普通隧道艉型艉部排水量的不足，而且能保持隧道艉型為螺旋槳直徑提供較大安放空間的特點。

2 隧道艉模型的建立

2.1 隧艉各形狀控制線

隧道艉的形狀由縱向和橫向特征控制線所決定[2]。上述4點形成的4條控制線為縱向特征控制線，即隧道頂線、隧道過渡線、隧道外線和舭部與舷側(cè)交線；橫向則選取隧道起始處，槳盤處和船艉處的橫剖線作為橫向控制線。

2.1.1 縱向特征控制線

1)隧道頂線。這是一條位于隧道對稱面上的平面曲線。如圖3中的線ABC。

2)隧道外線。位于隧道底部的外沿，是舭部與船底的交線，為一條空間曲線。如圖3中的線DEF。

3)隧道過渡線。從橫剖面上來看，隧道過渡線上的點是隧道頂線與隧道外線連接線的拐點，這一系列從隧道首至尾的連線拐點形成了隧道過渡線，為一條空間曲線，如圖3中的GHI。

4)舷側(cè)與舭部交線。為舷側(cè)面與舭部的交線。隨著艉部型線的收縮，該線在高度方向的走勢逐漸增大，如圖3中的JKL。

圖3 淺吃水肥大船舶隧道艉形狀控制線

2.1.2 橫向特征控制線

1)隧道起點處橫剖線。隧道縱向控制線各起點的連線，如圖3中的ADGJ。

2)槳盤處橫剖線。槳盤處的橫剖線如圖3中的BEHK。

3)隧道艉部橫剖線。隧道艉部橫剖線的形狀與槳盤處橫剖線形狀的類似，如圖3中CFIL。

2.2 CATIA中曲線形狀的控制

曲線的形狀不僅取決于曲線上的點的位置以及該點的切矢方向，還由該點的模長值所決定[3]。通過相同的點，在各點處有相同的切矢，但是點的模長值不同，則曲線的形狀也是不同的。模長值的概念見圖4。

圖4 模長值對曲線形狀的影響示意

某點處的模長值表征曲線在該點的貼近程度，模長值越大，則貼近程度越大。圖4中三條線在兩端的模長值自上而下逐步減小。

在選定各控制曲線的控制點位置，以及該點處的切矢方向和模長值之后，運用CATIA中的曲線生成方法，就能得到上述控制線的預期形狀。

2.3 隧艉三維曲面的生成

當上述縱向和橫向特征控制線設定好后，以橫向控制線為掃掠截面，以縱向控制線為引導線進行變截面掃掠，即可生成隧艉的三維曲面。

3 隧道艉的參數(shù)化設計方法

基于上述隧艉生成方法,對CATIA進行二次開發(fā),編制隧艉參數(shù)化設計程序，以CATIA為工作平臺，快速地生成隧道艉的三維曲面模型。隧道艉型具有雙向曲度，形狀比較復雜，而CATIA的曲面造型能力強大, 可簡化曲面生成的編程工作。

3.1 CATIA的二次開發(fā)技術

訪問CATIA分為進程內(nèi)訪問和進程外訪問，這兩種訪問方式為外部程序提供了不同的接口。

3.1.1 進程內(nèi)訪問

CATIA軟件與腳本在同一進程中運行。因此可以在CATIA環(huán)境下通過菜單記錄宏,記錄好的宏將生成一個相應的腳本,由CATIA的腳本引擎來解析執(zhí)行宏腳本的命令。通過修改,編輯該腳本即可達到用戶定制的目的。

3.1.2 進程外訪問

CATIA通過COM接口實現(xiàn)與外部應用程序的通信。此時腳本運行不由CATIA來調(diào)用，而是將CATIA作為一個OL(object linking and embedding)自動化服務器。由VB等編程語言編譯的外部程序通過對宏腳本命令的記錄和修改，實現(xiàn)對CATIA的二次開發(fā)。

3.2 開發(fā)方法

進程外訪問允許用戶自行編制外部應用程序，設計流程均可由外部程序的可視化操作來體現(xiàn)，而只將CATIA作為外部程序的服務平臺來實現(xiàn)用戶目的。因此，允許用戶自行編制外部應用程序的進程外訪問往往更能滿足用戶二次開發(fā)的需求。

VB是CATIA支持的主要開發(fā)語言之一。采用VB編制的宏腳本能在CATIA中高效運行。而VB提供的窗體和各種控件能組合出良好的設計用戶界面，讓用戶能方便、快捷地進行操作。

當用戶界面滿意時, 就可以編寫VB程序代碼, 其目的是告訴窗體中的控件對象需要完成的任務, 當然并不是所有對象都需要編寫過程代碼, 通常是那些用需要選擇或鍵盤輸入的對象需要過程代碼, 如命令銨鈕、單選銨鈕、檢查框、文本框等。代碼需要在代碼窗體中編寫。

3.3 CATIA中的參數(shù)化建模

CATIA應用表格驅(qū)動幾何圖形實現(xiàn)這一目標。描述零件尺寸的標準數(shù)據(jù)以表格的形式存放在相應的文件中,并在表中建立數(shù)據(jù)與三維模型特征參數(shù)的聯(lián)系。通過選擇表中不同記錄來改變幾何尺寸,獲得所需的零件模型。在CATIA的參數(shù)化設計中, Excel格式是經(jīng)常使用的表格文件格式。客戶只要將產(chǎn)品的特征參數(shù)制成Excel表格,通過CATIA本身自帶的工具—— Design Table對表格的各條記錄進行訪問,實現(xiàn)參數(shù)的傳遞，進而完成參數(shù)化建模[4]。

3.4 隧艉參數(shù)化設計程序開發(fā)

以VB為編程語言，以對CATIA進行進程外訪問的方式，編制出隧艉參數(shù)化設計程序。利用CATIA中表格驅(qū)動幾何圖形的特性，將隧艉模型的形狀控制參數(shù)保存在表格中，建立模型與參數(shù)之間的關聯(lián),實現(xiàn)表格中參數(shù)的修改能驅(qū)動模型形狀的修改。對表中參數(shù)進行分析, 選取出控制隧艉形狀的主要參數(shù),運用VB編寫程序設計界面,通過參數(shù)的人工輸入,進行數(shù)據(jù)的傳遞,驅(qū)動模型的生成,以獲得預期的隧艉三維曲面模型。部分程序界面見圖5～8。

圖5 道艉縱向特征控制線設計界面

圖6 隧道頂線參數(shù)輸入界面

圖7 隧道艉橫向特征控制線設計界面

按照程序界面提示,輸入隧艉的控制線的控制參數(shù),就可在CATIA環(huán)境中生成隧艉曲面的三維模型。

4 實例說明

對一艘內(nèi)河淺吃水肥大船進行艉型設計，其艉部主要參數(shù)的設計要求見表1。

圖8 槳盤處特征控制線參數(shù)輸入界面

表1 艉部主要參數(shù)設計要求

按照設計要求，程序的運行結(jié)果見圖9。

該雙艉隧道可安放的螺旋槳直徑為3.12 m，為吃水T的1.2倍，相較其它艉型,槳直徑大出了許多，同時艉部方形系數(shù)也達到了0.9，獲得了較小的艉部排水量損失。

5 結(jié)論

將CATIA的運用引入到隧道艉型的設計中,得到了滿足淺吃水肥大船型要求的隧道艉型。本文只是做了一些初步的研究,距離工程運用還有很大的距離,實際工程中還應考慮到艉部推進性能等因素,進行艉部型線的優(yōu)化設計, 以便選擇較優(yōu)的方案。

圖9 設計出的雙隧道艉

[1] 姜次平.低轉(zhuǎn)速大直徑槳肥大船的后體線型[J].船舶工程. 1988, 2(1)：8-12.

[2] LAILA K. Tunnel geometry of a novel stern type for pushing twin-screw inland cargo motor ships[J] AEJ - Alexandria Engineering Journal， 2000(3)：16-21.

[3] 胡 挺，吳立軍.CATIA二次開發(fā)技術基礎[M].成都:電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 陳靖芯，徐 晶.基于CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應用[J].機械設計，2003，20(08):48-50.