船體外板自動展開程序

張 錦 飛

（上海臻元船舶科技有限公司，上海 200052）

0 引 言

在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)肋骨型線圍長展開的外板展開圖是一份非常重要的圖紙。全船所有外板的規(guī)格、排列、在外板上布置的各種縱橫構(gòu)件、各層甲板、開口位置、分段縫、冰區(qū)加強(qiáng)相關(guān)的各種界限線等都必須表示在外板展開圖上，以便計算外板重量重心和估算船體鋼板規(guī)格等，作為船舶建造中訂貨的主要依據(jù)。該圖信息量大、縱橫線條密集、繪制極其繁瑣，不僅費(fèi)時費(fèi)力工作量大，而且效率低易出錯。因此利用先進(jìn)的計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)，編制外板自動展開程序既可以在船舶設(shè)計過程中提高繪圖準(zhǔn)確性，又大大降低設(shè)繪人員的工作強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

CAD技術(shù)可以提高船舶設(shè)計的效率和質(zhì)量，已經(jīng)成為國內(nèi)造船行業(yè)的共識，很多設(shè)計單位和船廠已在較大范圍內(nèi)應(yīng)用了國際先進(jìn)水平的三維造船軟件，具有代表性的軟件有 TRIBON M3、FORAN、NAPA、CADDS5、CATIA 、NUPAS-CADMATIC和滬東SPD等，經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累和二次開發(fā)，已經(jīng)達(dá)到了很高的應(yīng)用水平。但由于各種軟件針對性和側(cè)重點(diǎn)不同，以及客戶的使用習(xí)慣，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口等問題，國內(nèi)船廠在使用這些軟件時多數(shù)局限在生產(chǎn)設(shè)計階段，即根據(jù)已有的完整退審圖紙在這些軟件中進(jìn)行復(fù)雜的三維建模，添加工藝信息，進(jìn)而用于計算機(jī)輔助建造（CAE），提高建造質(zhì)量、縮短周期、降低成本。而在船舶設(shè)計的前期階段，如概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等階段，上述這些三維設(shè)計軟件使用很少。這個階段主要由各船級社相關(guān)軟件負(fù)責(zé)性能計算、強(qiáng)度校核等，而繪制圖紙送審則多數(shù)仍然廣泛采用AutoCAD二維繪圖軟件。

AutoLISP是AutoCAD最有效的開發(fā)工具之一，利用AutoLISP開發(fā)的船體外板自動展開程序僅需利用肋骨型線和中橫剖面圖，不需要復(fù)雜的三維軟件建模，直接得到詳細(xì)設(shè)計階段可用于送審的外板展開圖，并完善肋骨型線圖。

1 外板自動展開程序的主要功能及實(shí)現(xiàn)原理

經(jīng)過對2010版本AutoCAD的ActiveX技術(shù)研究[1～4]，結(jié)合目前船舶設(shè)計過程中繪制外板展開圖的實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計了程序的核心算法，應(yīng)用 AutoLISP編制外板自動展開程序，以實(shí)現(xiàn)船舶所有廣義縱向構(gòu)件的外板自動展開。所謂廣義縱向構(gòu)件，泛指所有在外板展開圖上表示的縱向?qū)ο?，既包括甲板、平臺、船底舷側(cè)縱骨、縱桁、艙壁、底邊艙和頂邊艙斜板等真實(shí)縱向構(gòu)件，也包括縱向板縫線、分段縫、冰區(qū)加強(qiáng)等各種界限線。

繪制外板展開圖需要有兩個關(guān)鍵步驟：

1）在肋骨型線圖上確定待展開構(gòu)件的指定位置。

2）獲得所選定肋骨型線的展開長度。獲得曲線展開長度后即可在外板展開圖上確定相應(yīng)肋位的展開點(diǎn)，并連接成一條曲線，即為需要展開構(gòu)件的外板展開線。

本程序的流程圖見圖1。

圖1 程序流程

從圖1可知，本程序主要有自由展開、按水線展開、按縱剖線展開和按邊艙展開4個功能。程序的主對話框界面見圖2。

圖2 主對話框界面

1.1 自由展開

按待展開肋骨型線的整個曲線總長度展開。其原理是在肋骨型線圖上確定指定構(gòu)件位置，并切除該位置以外的肋骨型線；從圖形數(shù)據(jù)庫中直接提取該剩余部分肋骨型線的曲線總長度；最后根據(jù)曲線展開長度繪制該構(gòu)件的外板展開線。

該功能需要切除部分肋骨型線，這破壞了肋骨型線的完整性，不利于后續(xù)操作。因此自由展開在程序中將作為一個輔助功能，只處理特別復(fù)雜的構(gòu)件展開線，如甲板邊線、舷墻頂線、球鼻艏等。

1.2 按水線展開

相當(dāng)于用一個垂直于船體中縱剖面的平面去切整個船舶，該平面和船體外板的相貫線即為按水線展開的構(gòu)件指定位置。該平面位置不同使其相貫線在中縱剖面上的投影是一根等高或不等高水線，即相當(dāng)于等高或不等高的縱向構(gòu)件。

按水線展開的輸入數(shù)據(jù)對話框見圖3。程序根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計算出不同肋位處的水線高度作為指定位置，然后作水平輔助線。求出指定位置水線與每個肋位肋骨型線的一系列交點(diǎn)，進(jìn)而獲得每根肋骨型線從起點(diǎn)到交點(diǎn)的曲線長度，繪制按水線展開的外板展開線。

等高水線適用于前后高度相等的水平舷側(cè)縱骨、平臺、舷側(cè)縱桁等構(gòu)件的展開線；不等高水線適用于前后高度不相等縱骨、平臺、縱桁等構(gòu)件以及不同高度水平構(gòu)件之間的過渡構(gòu)件和傾斜橫艙壁、斜凳等的展開線。根據(jù)船舶構(gòu)件的實(shí)際布置情況，程序可以分別一次性繪制多根等高構(gòu)件的展開線和一根不等高構(gòu)件的展開線。

1.3 按縱剖線展開

與按水線展開功能原理相似，按縱剖線展開是相當(dāng)于用一個垂直于船體基平面的平面去切整個船舶，與船體外板的相貫線即為按縱剖線展開的構(gòu)件指定位置。同樣，按縱剖線展開又可分為等寬和不等寬縱剖線展開兩種。具體的輸入數(shù)據(jù)對話框見圖4。程序在計算出的指定位置作垂直輔助線，即獲得與外板的交點(diǎn)和從起點(diǎn)到該交點(diǎn)的曲線長度。

等寬縱剖線適用于同時繪制多根等寬船底縱骨、縱桁的展開線；不等寬縱剖線適用于繪制一根不等寬縱骨、縱桁等構(gòu)件的展開線以及不同寬度縱向構(gòu)件之間過渡構(gòu)件的展開線。

圖3 按水線展開數(shù)據(jù)輸入對話框

圖4 按縱剖線展開數(shù)據(jù)輸入對話框

1.4 按邊艙展開

繪制類似于散貨船的底邊艙和頂邊艙斜板與外板交線的展開線。與按水線和縱剖線展開原理類似，用一個底邊艙或頂邊艙斜板所在的平面去切船舶，其與外板的相貫線即為按底邊艙或頂邊艙展開的指定位置。

對于底邊艙，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，底邊艙斜板一般坐落于底部縱桁上，并隨著縱桁的位置變化而變化。因此需要先找出縱桁的位置變化，然后按底邊艙斜板的角度繪制輔助線，找出其與外板的交點(diǎn)，即可得到按底邊艙展開的曲線長度。

對于頂邊艙，由于甲板存在梁拱，需要同時找出頂邊艙垂直板與斜板交點(diǎn)的距舯寬度和距基線高度的變化，然后用頂邊艙斜板的角度作輔助線，即可得到其與外板的交點(diǎn)和展開長度。具體的輸入數(shù)據(jù)對話框見圖5。

圖5 按邊艙展開數(shù)據(jù)輸入對話框

2 程序編制過程中的附加說明

實(shí)現(xiàn)外板自動展開功能的關(guān)鍵步驟是在肋骨型線圖中自動確定構(gòu)件位置，并計算出一系列肋骨型線的展開長度。程序編制過程中在這兩個關(guān)鍵點(diǎn)上遇到不少問題，對此提出如下方法。

2.1 獲取多段線總長度

程序中采用了AutoLISP擴(kuò)展函數(shù)vlax-Get-Property來直接獲取所選擇對象的長度屬性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自由展開的功能。需要注意的是，調(diào)用該函數(shù)前必須利用vlax-ename->vla-object函數(shù)將所選擇的肋骨型線的圖形數(shù)據(jù)庫中的圖元名轉(zhuǎn)換為VLA對象名，然后才能用上述函數(shù)的length屬性提取多段線的總長度。

函數(shù)的應(yīng)用格式：(vlax-get-property object property)

其中：object——VLA對象名；property——所要提取的屬性名稱，本程序中應(yīng)用“l(fā)ength”屬性；本函數(shù)的返回值是對象屬性的值即為多段線的總長度。

2.2 獲得多段線與直線的交點(diǎn)坐標(biāo)

程序中調(diào)用擴(kuò)展函數(shù)vla-intersectwith直接獲得相應(yīng)輔助直線與肋骨型線（多段線）的交點(diǎn)。返回值通過vlax-Variant-Value和vlax-safearray->list函數(shù)轉(zhuǎn)換為可處理的交點(diǎn)坐標(biāo)。

需要特別指出的是，vla-intersectwith函數(shù)得到的最終結(jié)果是一個交點(diǎn)坐標(biāo)的列表。如果獲得的交點(diǎn)不止一個，則該列表只是所有交點(diǎn)三維坐標(biāo)的簡單一維數(shù)組羅列，離多段線起點(diǎn)近的交點(diǎn)坐標(biāo)列在前面，離起點(diǎn)遠(yuǎn)的交點(diǎn)坐標(biāo)列在后面，如果多段線的首尾端點(diǎn)順序相反，則該列表的順序也將發(fā)生相應(yīng)的變化。為方便程序的后續(xù)處理，需要將該一維列表按每個交點(diǎn)為單位的形式處理成兩維列表形式。這樣可以很方便地提取其中一個或多個交點(diǎn)，直接得到該交點(diǎn)的三維坐標(biāo)。一般情況下，將肋骨型線與船體中心線的交點(diǎn)作為每根多段線的起點(diǎn)，根據(jù)船體構(gòu)件的實(shí)際布置，選取靠近起點(diǎn)的交點(diǎn)作為構(gòu)件在該肋位的展開點(diǎn)，而底邊艙斜板的外板展開則比較特殊，選取遠(yuǎn)離起點(diǎn)的交點(diǎn)作為斜板在外板上的展開點(diǎn)。

函數(shù)的應(yīng)用格式：(vla-IntersectWith object IntersectObject ExtendOption)

返回值：圖形數(shù)據(jù)庫中交點(diǎn)坐標(biāo)所存貯的指針位置。通過轉(zhuǎn)換可得到需要的交點(diǎn)坐標(biāo)。

2.3 獲得多段線的部分長度

在獲得構(gòu)件與外板的交點(diǎn)后，利用 vlax-curve-getdistatpoint函數(shù)可獲取每一根肋骨型線上從起點(diǎn)到該交點(diǎn)的曲線長度。

函數(shù)的應(yīng)用格式：(vlax-curve-getDistAtPoint curve-obj point)

返回值：從起點(diǎn)到指定交點(diǎn)的曲線長度，即在構(gòu)件處的肋骨型線展開長度。

3 程序使用中需要注意的問題

3.1 前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要體現(xiàn)在肋骨型線上。

1）在使用程序前，需要確保肋骨型線中沒有重合的型線。如有多余的肋骨型線，繪制展開線時就會錯位，得到錯誤的結(jié)果，所以請先檢查肋骨型線，刪除多余的型線；

2）需要確認(rèn)肋骨型線是否是多段線（LwPolyline），如不是多段線，需要先轉(zhuǎn)化為多段線。在AutoCAD中，不同的線型有各自的數(shù)據(jù)存儲格式。由于程序?qū)⒅苯幼x取多段線的數(shù)據(jù)庫資料，存儲格式?jīng)Q定了程序是否能獲取正確的數(shù)據(jù)。例如，以下是一個三點(diǎn)多段線的典型實(shí)體數(shù)據(jù)表，在AutoCAD中以聯(lián)結(jié)表形式存放：

((-1 . ) (0 . "LWPOLYLINE") (330 . ) (5 . "1590A7")(100 . "AcDbEntity") (67 . 0) (410 . "Model") (8 . "0") (62 . 1) (6 . "Continuous") (370 . 20) (100 ."AcDbPolyline") (90 . 5) (70 . 0) (43 . 0.0) (38 . 0.0) (39 . 0.0) (10 435.351 358.185) (40 . 0.0) (41 . 0.0) (42 . 0.0)(91 . 0) (10 820.051 530.303) (40 . 0.0) (41 . 0.0) (42 . 0.0) (91 . 0) (10 1193.35 693.133) (40 . 0.0) (41 . 0.0) (42 .0.0) (91 . 0) (10 1343.45 757.293) (40 . 0.0) (41 . 0.0) (42 . 0.0) (91 . 0) (210 0.0 0.0 1.0))

表中的每一個子表都代表了一個實(shí)體的屬性。如上表中第二個子表的組碼“0”，表示該實(shí)體為“LwPolyline”線型。組碼為“10”的子表中分別代表了該多段線三個頂點(diǎn)的坐標(biāo)值；

3）需要確認(rèn)肋骨型線的起點(diǎn)是否靠近船體中心線與基線的交點(diǎn)，這將直接關(guān)系到所獲取的曲線長度是否正確。程序中具有自動識別所選擇多段線起點(diǎn)位置的功能，如果位置相反，將自動對調(diào)起點(diǎn)位置。但如果在低版本的AutoCAD上使用本程序，由于某些函數(shù)無法使用，則需要部分人工干預(yù)。

3.2 艏艉部外板展開

艏艉部是船體中型線變化最為劇烈的部分，這兩個區(qū)域的外板展開也相當(dāng)復(fù)雜。艏部的球鼻艏和艉部的槳轂使同一肋位的型線分成上下兩個部分。艏艉的外板展開原理是一樣的，以艏部為例說明一下這部分如何展開。肋骨型線及外板展開示意圖見圖6。圖6中A點(diǎn)為球鼻艏最前點(diǎn)，B點(diǎn)為球鼻艏最后點(diǎn)。

圖6 肋骨型線及外板展開

1）球鼻艏展開：球鼻艏在型線中是一個獨(dú)立封閉的部分，在程序中可以選擇用自由展開功能來展開，如6圖中A點(diǎn)上面部分展開線；

2）球鼻艏區(qū)域構(gòu)件展開：如圖6中5000～7000mm水線的展開，選擇按水線展開功能，輸入開始水線高5000mm，結(jié)束水線高7000mm，間距500mm，則在圖中一次性得到5根水平構(gòu)件的展開線，同時在肋骨型線圖上自動繪制這些構(gòu)件的布置位置，有利于完善肋骨型線圖；

3）球鼻艏以上部分構(gòu)件的展開：這部分構(gòu)件的展開較為復(fù)雜，其操作步驟為：①作為一般構(gòu)件按水線或縱剖線展開；②確定B點(diǎn)位置，并單獨(dú)剖出該位置的肋骨型線；③計算出B點(diǎn)位置的展開長度；④將所有B點(diǎn)以上構(gòu)件的展開線，以B點(diǎn)為基點(diǎn)，同時向上從投影位置移動到展開位置上。

3.3 外板展開的精度問題

由于本程序直接從AutoCAD數(shù)據(jù)庫讀取核心數(shù)據(jù)，所以構(gòu)件的外板展開線在肋位點(diǎn)上與肋骨型線中相應(yīng)肋位的曲線長度完全吻合。因此，本程序得到的外板展開線精度完全取決于肋骨型線的精度。船舶設(shè)計前期如果型線比較粗糙，外板展開精度也相應(yīng)差一些，后期型線經(jīng)過優(yōu)化及放樣光順，利用本程序重新展開一次，將得到相當(dāng)精確的外板展開。對于艏艉部型線變化比較劇烈的區(qū)域，只要在該區(qū)域加密，多剖出一些肋骨型線，即可得到足夠精確的外板展開圖。

3.4 選擇待展開的肋骨型線時，需要注意的問題：

1）所選擇的肋骨型線數(shù)量必須≥2，否則程序?qū)⒊霈F(xiàn)錯誤信息，要求用戶重新選擇肋骨型線；

2）用戶選擇肋骨型線時，應(yīng)采用Fence的選擇模式，即在命令行鍵入“F”后選擇所需要的肋骨型線；

3）肋骨型線的選擇應(yīng)按肋位號從小到大的順序選擇；

4）用戶盡量在船舶的舭部位置選擇肋骨型線，這個位置肋骨型線之間的差別相對較明顯，容易按肋位號的順序識別。如果在舷側(cè)位置選擇，則由于不同肋位型線相互重疊，容易導(dǎo)致肋位順序的識別錯誤，從而繪制錯誤的展開線；

5）用戶選擇肋骨型線時，需要盡量避免選擇到肋骨型線以外的實(shí)體，如文字、其他線型等；

6）選擇肋骨型線時，需要用戶預(yù)估一下待展開構(gòu)件與所選擇型線的相對位置，若沒有交點(diǎn)，則無法得到該構(gòu)件的外板展開線。

4 結(jié) 語

外板自動展開程序主要是用AutoLISP語言直接調(diào)用擴(kuò)展函數(shù)，利用ActiveX數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接訪問圖形數(shù)據(jù)庫，通過將圖形對象和 VLA對象相互轉(zhuǎn)化，對特定對象的方法和屬性進(jìn)行直接操作，這樣使得程序編寫明顯簡化，安全可靠，可以大大地擴(kuò)充程序的功能。

本程序基本包括了外板展開圖中幾乎所有需要繪制的構(gòu)件，常見的船型均可使用。展開同時同步得到構(gòu)件在肋骨型線圖上的布置位置。實(shí)踐證明，在船舶設(shè)計前期利用外板自動展開程序進(jìn)行設(shè)計和繪制船體肋骨型線圖和外板展開圖，既能大大提高設(shè)繪工作的效率、縮短設(shè)繪周期，又能極大的提高圖形繪制的精確度，保證了圖紙質(zhì)量，達(dá)到了程序編制的預(yù)期要求。

[1] 張 輝. 利用VBA技術(shù)實(shí)現(xiàn)外板展開線的自動繪制[J]. 船舶設(shè)計通訊，2005, (1): 58-60.

[2] 孫家鵬. AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)在繪制船體外板展開圖上的應(yīng)用[J]. 上海造船，2006, (4): 16-19.

[3] 陳伯雄，馮 偉. Visual LISP程序設(shè)計——技巧與范例[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.

[4] 劉銀遠(yuǎn). AutoLISP（10.0版）教程（初級、中級、高級）[M]. 北京：北京希望電腦公司.