基于NAPA二次開發(fā)的船舶裝載工況檢查程序開發(fā)

管官，楊小樂，王琦

1. 大連理工大學(xué) 船舶 CAD 工程中心，遼寧 大連 116024 2. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024

船舶一般會有20~50個設(shè)計工況，每個工況有近10個項目需要檢查，包括最小艏部吃水、螺旋槳浸沒率、縱傾值、穩(wěn)性和貨艙裝貨量等。需要檢查的項目分散在圖紙中的不同位置且只有實際值，沒有要求值，需要校對者結(jié)合相關(guān)法規(guī)要求來判斷各項目是否滿足要求。對于貨艙裝貨量，實際值也無法用NAPA輸出，需要人工計算各貨艙和相鄰2個貨艙的中部吃水以及貨艙裝貨量，再對比貨艙裝貨量曲線來進(jìn)行判斷。船舶工況檢查工作一般是在制作好電子版裝載手冊后進(jìn)行的。由于需要檢查的項目較多，很容易出現(xiàn)重新配載后其他項目不滿足要求的情況，這時設(shè)計者需要反復(fù)進(jìn)行工況配載、輸出圖紙、工況檢查這3項工作。船舶工況的檢查工作需要耗費(fèi)大量時間的同時，還很容易出現(xiàn)錯誤。

在處理復(fù)雜、重復(fù)工作方面，NAPA常規(guī)的使用方式是通過敲擊命令獲取所需的結(jié)果，此時的NAPA可以簡單理解為一個計算器，功能就是輸入和輸出。NAPA MANAGER是一個可以執(zhí)行程序的可視化工具，它可以將多個宏程序匯總執(zhí)行。NAPA MANAGER相對上述使用方式，就如同電腦的操作系統(tǒng)從DOS到WINDOWS 的跨越，用戶只需點擊鼠標(biāo)就可代替鍵盤的敲擊，最重要的是數(shù)據(jù)的輸入更加靈活多樣，還可以按照用戶的意愿進(jìn)行各種形式的輸出。國內(nèi)外學(xué)者對NAPA軟件的應(yīng)用及開發(fā)進(jìn)行過如下工作：金攀峰[1]對于NAPA宏語言的二次開發(fā)進(jìn)行了基礎(chǔ)介紹；羅振泉等[2]利用NAPA宏語言快速地完成了一些NAPA STEEL船體結(jié)構(gòu)建模工作；張華[3]結(jié)合散貨船油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范，編寫了基于HCSR的剪力修正宏程序；馬超等[4]通過NAPA軟件快速制作了壓載水管理計劃手冊，用于指導(dǎo)合理的進(jìn)行壓載水的管理操作；周煜等[5?6]編寫了NAPA宏程序，使概率破艙穩(wěn)性計算結(jié)果直接以報告形式輸出，實現(xiàn)了船舶完整穩(wěn)性的校核；楊博等[7]基于CSR開發(fā)了NAPA MANAGER，實現(xiàn)了散貨船載貨量曲線的自動繪制；Takano Hirofumi[8]對NAPA的基本功能進(jìn)行二次開發(fā)，對壓載水處理系統(tǒng)改裝進(jìn)行可行性分析。本文研發(fā)了船舶工況自動檢查的 NAPA MANAGER 程序。NAPA MANAGER能夠?qū)ρb載工況檢查輸出結(jié)果報告，在船舶裝載過程中，工況檢查工作就可以快速完成，不需要先輸出圖紙，一個工況檢查工作的耗時從原先十幾分鐘降低到幾秒內(nèi)完成，極大地提高了工作效率。

1 船舶裝載工況相關(guān)法規(guī)則

要通過程序?qū)崿F(xiàn)船舶裝載工況的自動檢查，首先要了解需要檢查項目的具體要求?！秶H海上人命安全公約》（SOLAS）[9]、《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》（HCSR）[10]、《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》（IS CODE）[11]、《載重線公約》[12]等對于船舶裝載工況給出了具體要求。對于船舶裝載工況，需要檢查的項目如下：艏部吃水檢查；螺旋槳浸沒率檢查；縱傾值檢查；最大吃水檢查；盲區(qū)檢查；凈空高檢查；剪力、彎矩檢查；穩(wěn)性檢查；貨艙裝貨量檢查。

HCSR第4章附錄1中給出了有無被授予{No MP}標(biāo)識的船舶貨艙裝貨量要求。即單個貨艙的最大允許裝貨量和最小要求的裝貨量與貨艙中部吃水的關(guān)系，以及每2個相鄰貨艙的最大允許裝貨量和最小要求的裝貨量與這2個相鄰貨艙中點處吃水的函數(shù)關(guān)系。以未授予{No MP}標(biāo)識的BC?A船舶的單個貨艙為例，具體應(yīng)用公式如下：

航行狀態(tài)下隔艙裝載工況的載貨艙：

港內(nèi)狀態(tài)下隔艙裝載工況的載貨艙：

航行狀態(tài)下隔艙裝載工況的空艙：

港內(nèi)狀態(tài)下隔艙裝載工況的空艙：

2 船舶工況自動檢查功能實現(xiàn)

2.1 程序編寫

為實現(xiàn)船舶裝載工況自動檢查功能，最主要的工作就是程序的編寫。由于需要檢查的項目較多，而且涉及到的法規(guī)也在不停更新。為使程序便于修改和升級，并具有更好的可讀性，本文采用模塊化方法對程序進(jìn)行編寫。

對于法規(guī)的每一項要求用NAPA BASIC 編寫成子程序。最小艏部吃水檢查子程序；螺旋槳浸沒率檢查子程序；縱傾值檢查子程序；最大吃水檢查子程序；盲區(qū)檢查子程序；凈空高檢查子程序；剪力、彎矩檢查子程序；穩(wěn)性檢查子程序都可以根據(jù)相關(guān)法規(guī)和計算公式利用NAPA BASIC 編寫成子程序。將需要作為結(jié)果進(jìn)行輸出的值記錄下來，匯總后統(tǒng)一進(jìn)行結(jié)果輸出。將結(jié)果輸出也單獨做成一個子程序，主程序控制各子程序的執(zhí)行步驟，編程的界面如圖1所示。

圖1 變量定義表格

對于貨艙裝貨量檢查子程序，由于NAPA不能直接計算實際的貨艙裝貨量和要求值，所以此處需要利用表格進(jìn)行計算。程序編寫按照以下步驟進(jìn)行：

1）定義數(shù)據(jù)記錄表格

定義CARGOMASS_CHECK 表格，用于記錄數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果，表格形式如圖2所示。

圖2 CHECK_CARGOMASS 表格

圖中各列定義如下：HOLD：船舶貨艙名稱；CARGO：貨艙中貨物質(zhì)量，t；BTMWB：貨艙對應(yīng)的雙層底中壓載水質(zhì)量，t；T_HOLD：貨艙中部吃水，m；WMIN：貨艙最小裝貨量要求，t；MASS：貨艙及對應(yīng)的雙層底中壓載水質(zhì)量總和，t；WMAX：貨艙最大裝貨量要求，t；STAT：判斷結(jié)果。

2）計算貨艙實際裝貨量

貨艙實際裝貨量包括貨艙中貨物質(zhì)量和貨艙下方雙層底中壓載水質(zhì)量。首先創(chuàng)建LM.HWTANK表格，用來關(guān)聯(lián)貨艙和壓載水艙及雙層底。表格形式如圖3所示。

圖3 LM.HWTANK 表格

再利用循環(huán)語句計算出各貨艙裝貨量。由NAPA 公式得到貨艙中貨物質(zhì)量、壓載艙及雙層底中液體密度、壓載艙中液位高度。通過壓載艙中液位高度可以推測出雙層底中液位高度，從而得到雙層底中液體體積，結(jié)合雙層底中液體密度計算出雙層底中液體質(zhì)量。將貨艙中貨物質(zhì)量與雙層底中液體質(zhì)量加和得到貨艙裝貨量。其他貨艙裝貨量計算方法與之相同。

3）計算貨艙裝貨量要求值

圖4為單個貨艙的貨艙載貨量曲線，給出了貨艙的最大允許裝貨量和最小要求的裝貨量與貨艙中部吃水的關(guān)系。

圖4 載貨量曲線

當(dāng)前船舶工況某一貨艙中部吃水可以由NAPA公式得到。將貨艙裝貨量曲線做成NAPA表格，即可通過插值方法得到當(dāng)前船舶裝載工況該貨艙裝貨量的要求值。將所有單個貨艙和相鄰2個貨艙的裝貨量曲線做成表格，通過程序循環(huán)計算即可得到某一船舶工況所有單個貨艙和相鄰2個貨艙的裝貨量要求值。程序中表格名為LM.CMCHOLD，表格形式如圖5所示。

圖5 LM.CMCHOLD 表格

表格中各列意義如下：

ID：單個貨艙及2個相鄰貨艙名稱；

TMAXSEA、WMAXSEA：載貨量曲線中航行狀態(tài)下，最大載貨量曲線的貨艙中部吃水和最大允許裝貨量，對應(yīng)圖4中的航行狀態(tài)下最大允許裝貨量曲線；

TMINSEA、WMINSEA：載貨量曲線中航行狀態(tài)下，最小載貨量曲線的貨艙中部吃水和最小要求裝貨量，對應(yīng)圖4中的航行狀態(tài)下最小要求裝貨量曲線；

TMAXHAR、WMAXHAR：載貨量曲線中在港狀態(tài)下，最大載貨量曲線的貨艙中部吃水和最大允許裝貨量，對應(yīng)圖4中的在港狀態(tài)下最大允許裝貨量曲線；

TMINHAR、WMINHAR：載貨量曲線中在港狀態(tài)下，最小載貨量曲線的貨艙中部吃水和最小要求裝貨量，對應(yīng)圖4中的在港狀態(tài)下最小要求裝貨量曲線。

4）結(jié)果判斷

當(dāng)貨艙實際裝貨量大于等于對應(yīng)貨艙中部吃水的最小要求裝貨量，并且小于等于最大允許裝貨量，判斷結(jié)果為合格，否則不合格。程序通過循環(huán)的形式對所有單個貨艙和相鄰2個貨艙的裝貨量進(jìn)行結(jié)果判斷，并將結(jié)果輸入到CHECK_CARGOMASS表格中。

2.2 工況檢查參數(shù)輸入

在使用界面的參數(shù)面板部分輸入工況檢查所需的參數(shù)，如圖6所示。

圖6 參數(shù)輸入

圖中各項意義為：Minimum fore draught(ext.)：最小艏部吃水要求（包括龍骨板厚）；Propeller Immersion：螺旋槳浸沒率要求；Minimum trim：最小縱傾值要求；Maximum trim：最大縱傾值要求；air draught：最大凈空高要求（最高點到對應(yīng)水線距離）；Maximum Draught(mld.)：最大吃水要求（不包括龍骨板厚）。

2.3 結(jié)果輸出

運(yùn)行MANAGER后，結(jié)果會顯示在使用界面的結(jié)果顯示窗口里。效果如圖7所示。

圖7 結(jié)果輸出

輸出結(jié)果分為3部分：第1部分包括最小艏部吃水、螺旋槳浸沒率、縱傾值、最大吃水、盲區(qū)、凈空高和剪力彎矩檢查的要求值、實際值及判斷結(jié)果；第2部分為船舶穩(wěn)性相關(guān)的要求值、實際值和判斷結(jié)果；第3部分為貨艙裝貨量檢查，包括單個貨艙和相鄰2個貨艙的貨物質(zhì)量，相應(yīng)的雙層底中壓載水質(zhì)量、貨艙中部吃水、貨艙裝貨量要求值、實際值和判斷結(jié)果。

使用時只需在目錄部分選擇要檢查的船舶工況，點擊執(zhí)行即可得到各工況的實際狀態(tài)和檢查結(jié)果。

3 NAPA MANAGER 算例

以某散貨船為例，對船舶進(jìn)行壓載水交換過程中的一個工況進(jìn)行工況檢查。

3.1 實例船基本信息

本實例船的船舶主尺度如表1所示。

表1 實例船主尺度

本實例船貨艙有5個，編號從船艏到船艉為1～5。壓載水艙除貨艙部位對應(yīng)的5組外還包含艏尖艙、6號左、右壓載水艙和艉尖艙。油水艙方面包含3組燃油艙、2個柴油艙、2個淡水艙，如圖8所示。

圖8 艙室分布

3.2 壓載水交換過程中的工況檢查

該工況的裝載情況如圖9所示。

圖9 裝載情況

該工況貨艙是空的，壓載水艙中艏尖艙、2號左側(cè)壓載水艙、2號右側(cè)壓載水艙、3號左側(cè)壓載水艙、3號右側(cè)壓載水艙、4號左側(cè)壓載水艙、4號右側(cè)壓載水艙中有壓載水。

將貨艙、壓載水艙、雙層底壓載水艙之間的關(guān)系輸入到LM.HWTANK表格，如圖10所示。

圖10 LM.HWTANK 表格

該船的1號貨艙裝貨量曲線如圖4所示，將船舶各單個貨艙和相鄰兩個貨艙的裝貨量曲線圖中的數(shù)值輸入到LM.CMCHOLD表格中，如圖11所示。以1號貨艙裝貨量曲線為例，由于只需檢查航行中的工況，所以選取航行狀態(tài)下最大允許裝貨量中的 4 個點（0，9 568），（11.68，19 102），（13，19 102），（20，19 102）和航行狀態(tài)下最小要求裝貨量中的 4個點（0，0），（10.79，0），（13，1 804），（20，7 518）輸入到表格中，其他貨艙裝貨量曲線數(shù)值的輸入與之類似，相應(yīng)點坐標(biāo)值可在圖11中查詢。

圖11 LM.CMCHOLD 表格

在參數(shù)面板處輸入工況檢查的要求值：最小艏部吃水為3.226 m；螺旋槳浸沒率為50%；最小縱傾值為?0.985 m；最大縱傾值為 2.955 m；凈空高為 60 m；最大吃水深為 13 m。

執(zhí)行程序后，工況檢查結(jié)果如圖12所示。

圖12 結(jié)果輸出

從輸出結(jié)果可以看出：

1）最小艏部吃水要求值為3.226 m，該工況的實際艏部吃水為3.282 m，滿足要求；

2）螺旋槳浸沒率要求最小為50%，實際的螺旋槳浸沒率為50.671%，滿足要求；

3）縱傾值要求在?1.0~3.0 m，實際縱傾值為3.125 m，不滿足要求；

4）最大吃水為 13 m，實際值為 4.745 m，滿足要求；盲區(qū)要求不大于 399.8 m，實際盲區(qū)為449.657 m，不滿足要求；

5）凈空高要求不超過60 m，實際凈空高為40.69 m，滿足要求；

6）剪力與許用值最大百分比為85.232%，滿足要求；

7）彎矩與許用值最大百分比為53.313%，滿足要求；

8）復(fù)原力臂曲線下的面積，在橫傾角?＝30°或以下時，應(yīng)不小于 0.055 m·rad，實際值為1.249 m·rad，滿足要求；

9）復(fù)原力臂曲線下的面積，在橫傾角為?＝40°或以下或者進(jìn)水角為 ?f＝40°或以下時，應(yīng)不小于 0.09 m·rad，實際值為 1.951 m·rad，滿足要求；

10）當(dāng)橫傾角在 30°~40°或在 30°~?f，而 ?f小于40°時，復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)不小于0.03 m·rad，實際值為 0.702 m·rad，滿足要求；

11）在橫傾角大于或等于30°時，復(fù)原力臂至少為 0.2 m，實際值為 4.034 m，滿足要求；

12）最大復(fù)原力臂應(yīng)出現(xiàn)在不小于25°的橫傾角時，實際值為36.009°，滿足要求；

13）初始穩(wěn)心高度 GM0應(yīng)不小于 0.15 m，實際值為9.703 m，滿足要求；

14）按 IS CODE 的 2.2.8.2要求，b區(qū)域應(yīng)等于或大于a區(qū)域，實際b與a的比值為2.231，滿足要求；

15）按 IS CODE 的 2.2.8.2要求，穩(wěn)定風(fēng)的作用所造成的橫傾角(?0)不應(yīng)超過16°或甲板緣淹沒角的80%，取小者，實際值0.549°，滿足要求。

16）如圖9的裝載工況下，1號貨艙的貨艙中部吃水為 3.71 m，貨艙裝貨量要求在 0~12 598 t，實際值為 0 t，滿足要求；

17）2號貨艙的貨艙中部吃水為4.22 m，貨艙裝貨量要求在 0~12 573 t，實際值為 1 381 t，滿足要求；

18）3號貨艙的貨艙中部吃水為4.73 m，貨艙裝貨量要求在 0~17 363 t，實際值為 1 378 t，滿足要求；

19）4號貨艙的貨艙中部吃水為5.24 m，貨艙裝貨量要求在 0~13 550 t，實際值為 1 381 t，滿足要求；

20）5號貨艙的貨艙中部吃水為5.73 m，貨艙裝貨量要求在 0~14 168 t，實際值為 0 t，滿足要求；

21）1號貨艙與2號貨艙中部吃水為3.96 m，貨艙裝貨量要求在 0~22 700 t，實際值為 1 381 t，滿足要求；

22）2號貨艙與3號貨艙中部吃水為4.49 m，貨艙裝貨量要求在 0~24 758 t，實際值為 2 760 t，滿足要求；

23）3號貨艙與4號貨艙中部吃水為4.98 m，貨艙裝貨量要求在 0~25 670 t，實際值為 2 760 t，滿足要求；

24）4號貨艙與5號貨艙中部吃水為5.50 m，貨艙裝貨量要求在 0~25 347 t，實際值為 1 381 t，滿足要求。

4 結(jié)論

本文基于工作經(jīng)驗，結(jié)合相關(guān)的法規(guī)和規(guī)范提出了以NAPA MANAGER方式來檢查船舶裝載工況，研發(fā)了船舶工況自動檢查的NAPA MANAGER。1）通過對實例中程序運(yùn)行的結(jié)果分析，可以看出此程序的可行性；2）該程序?qū)⒋肮r需要檢查項目的實際值、要求值匯總到一起顯示，并進(jìn)行結(jié)果判斷，使船舶工況的實際情況一目了然，避免了對各檢查項目顧此失彼的被動局面；3）節(jié)省了工況檢查工作的時間，提高了工況檢查工作的便捷性，為工況檢查工作提供了有效的參考依據(jù)。