CATIA二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)全墊升氣墊船性能計(jì)算結(jié)果的可視化

張宗科 徐圣杰

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船屬于高性能船，對(duì)質(zhì)量要求極為嚴(yán)苛。由于全墊升氣墊船主要運(yùn)行模式為墊升狀態(tài)，船體浮箱被氣墊托離于運(yùn)行表面之上，所承受載荷小，為控制質(zhì)量，浮箱往往采用單層底結(jié)構(gòu)，為薄鋁板焊接或鉚接而成［1-2］。氣墊登陸艇屬于全墊升氣墊船，需登陸越障受損概率大，為保障足夠的破艙穩(wěn)性，船體浮箱被劃分為多個(gè)水密分艙，如美國(guó)正在研制中的新一代氣墊登陸艇SSC浮箱長(zhǎng)24.5 m×寬13.3 m×高1.42 m，劃分為近百個(gè)艙室［3-4］。通過在CATIA中進(jìn)行二次開發(fā)，三維直觀顯示破艙計(jì)算結(jié)果及其對(duì)墊升姿態(tài)的影響等，并可直觀指定破艙位置及數(shù)量，查看破損進(jìn)水的后果及影響，以及實(shí)船破艙狀態(tài)下的輔助應(yīng)急處理。船越出阻力峰墊態(tài)航行時(shí)，阻尼小，在風(fēng)浪作用下，存在側(cè)滑角，此時(shí)斜航狀態(tài)下的高壓氣墊興波較復(fù)雜，造成的側(cè)向力、搖首力矩等會(huì)影響船的姿態(tài)［5］。編程實(shí)現(xiàn)了興波波形及圍裙下部手指觸水情況的可視化，便于求取斜航時(shí)興波對(duì)阻力、側(cè)向力、搖首力矩以及船墊態(tài)縱、橫傾角的影響。氣墊船在波浪中航行時(shí)，高壓充氣圍裙內(nèi)部不同位置處的囊壓、墊壓變動(dòng)較大，可實(shí)現(xiàn)測(cè)得壓力的空間分布及時(shí)歷變化情況的可視化。

1 破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果的可視化

1.1 船體浮箱艙室劃分眾多

美國(guó)正在研制替代LCAC的新一代氣墊登陸艇——SSC（Ship-to-shore Connector），目前首制艇正在進(jìn)行海試，計(jì)劃于2020年形成初始戰(zhàn)斗力（IOC）。除作為試驗(yàn)艇的首制艇（LCAC-100）外，美國(guó)海軍首批次訂購(gòu)了8艘（LCAC-101～LCAC108），隨著SSC首制艇（舷號(hào)LCAC-100）于2018年4月10日開始的水上試驗(yàn)順利進(jìn)行，美國(guó)海軍4月13日與Textron公司簽訂790萬(wàn)美元合同以訂購(gòu)LCAC 109～112號(hào)艇的長(zhǎng)線材料。SSC的船體浮箱劃分為94個(gè)，其中66個(gè)艙室需貫穿電纜，見表1與下頁(yè)圖1。

圖1 美國(guó)SSC船體浮箱透視圖及浮箱艙室劃分

LCAC的船體浮箱設(shè)有3道縱艙壁及各肋位對(duì)應(yīng)的橫艙壁，劃分為多個(gè)水密艙室，采用反造方法制造船體浮箱，建好后整體翻轉(zhuǎn)，再插接安裝駕駛艙、登陸兵艙、主機(jī)艙、墊升風(fēng)機(jī)、導(dǎo)管空氣螺旋槳等上層建筑艙室與設(shè)備。由圖2可見LCAC浮箱艙室眾多。

圖2 美國(guó)LCAC船體浮箱結(jié)構(gòu)形式、底朝天反造及其整體翻轉(zhuǎn)

1.2 破艙穩(wěn)性要求

正是由于氣墊登陸艇船體浮箱為單層底，且需登陸越障等，受損概率大，美LCAC提出較常規(guī)排水型船更為嚴(yán)格的破艙穩(wěn)性要求，即：縱向占剛性船長(zhǎng)10%的船體破損，橫向從舷側(cè)破至靠近船體中心線縱艙壁；或縱向占15%剛性船長(zhǎng)的船體破損，橫向從舷側(cè)破至20%剛性船寬，在不對(duì)稱進(jìn)水時(shí)保持不沉。

1.3 浮箱在CATIA中建模及艙室自動(dòng)劃分

利用圖1中SSC艙室劃分圖及圖3的典型橫剖面圖，可提取出SSC船體浮箱三維建模所需的信息。利用CATIA中的二次開發(fā)，利用提取出的信息，實(shí)現(xiàn)基于二維圖紙的快速建模。

圖3 美國(guó)SSC典型橫剖面圖

有了船體浮箱外殼3D模型，利用3道縱向水密艙壁、各肋位處的橫向艙壁作為艙室剖分參考平面，基于CATIA.ActiveDocument.Part.HybridShapeFactory.AddNewHybridSplit（objToSplit，objBySplit， catPositiveSide）可自動(dòng)剖切得到各水密艙室的6個(gè)包圍界面，再融合成艙室的外殼，然后利用CATIA中的封閉曲面（ClosedSurface）函數(shù)，獲得艙室對(duì)應(yīng)的幾何體。如SSC各水密艙室的劃分效果見圖4右側(cè)。需要說(shuō)明的是，利用 AddNewHybridSplit（objToSplit，objBySplit1，catPositiveSide）函數(shù)時(shí)，必須注意被切除的objToSplit與剪切參考物objBySplit相互之間的曲面法線之間的夾角關(guān)系，可通過參數(shù)catPositiveSide來(lái)調(diào)整objToSplit修剪后保留下來(lái)的部分。

圖4 美國(guó)SSC船體浮箱CATIA中3D外殼模型（兩側(cè)開孔處為墊升風(fēng)機(jī)氣道）以及艙室分隔參考面

為方便對(duì)艙室的自動(dòng)劃分，依據(jù)各艙室的6個(gè)包圍界面與浮箱外殼交匯次數(shù)，將整個(gè)浮箱區(qū)域劃分為5類區(qū)域，如圖5中不同顏色所示（風(fēng)機(jī)風(fēng)道開口區(qū)域除外）。同時(shí)，為便于后續(xù)處理，每個(gè)艙室形成的幾何體置于單獨(dú)的幾何體集合內(nèi)，并在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中將艙室所在的幾何體名稱改為對(duì)應(yīng)唯一編號(hào)以便程序中自動(dòng)定位調(diào)用，如肋位號(hào)_距中縱面第幾個(gè)艙室（左舷編號(hào)為奇數(shù)、右舷編號(hào)為偶數(shù)），RibNo_iTank。

圖5 美國(guó)SSC船體浮箱艙室區(qū)域劃分及分隔效果

1.4 破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果可視化

有了船體浮箱的3D模型及水密艙室劃分，就可利用破艙穩(wěn)性計(jì)算得到的船縱、橫傾角，得到各艙室處于水線面之下的部分。為便于操作，將破艙后船中心處對(duì)應(yīng)的水線面（以中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基線面上的點(diǎn)垂直向上平移吃水值為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建基準(zhǔn)水平面）作為參考表面，其構(gòu)建方法如下：利用破艙后的首吃水Tf、尾吃水Ta來(lái)構(gòu)建X軸，以其中心點(diǎn)向左舷偏移一定距離構(gòu)建線段OY，將OY繞X軸旋轉(zhuǎn)橫傾角度φ得到Y(jié)軸，最后由X軸、Y軸得到破艙后的當(dāng)量水線面。

利用此當(dāng)量水線面切割各艙室，再由CATIA中的“Measure Inertia”功能得到各破損進(jìn)水艙室的初始進(jìn)水體積，乘以相應(yīng)的艙室進(jìn)水滲透率，可獲得破損艙室的進(jìn)水質(zhì)量，從而可對(duì)破艙穩(wěn)性計(jì)算的進(jìn)水質(zhì)量作校核。同時(shí)，由船體浮箱位于當(dāng)量水線面之下的體積（排水量），應(yīng)等于破損艙室的進(jìn)水量加上初始排水量之和。通過實(shí)際顯示單個(gè)破損艙室的進(jìn)水狀態(tài)，可判斷該艙室內(nèi)設(shè)備的淹水程度，內(nèi)部設(shè)備是否處于可用狀態(tài)等。利用CATIA內(nèi)設(shè)立的3個(gè)用戶參數(shù)變量（Tf、Ta、φ），對(duì)于不同的破損狀態(tài)，只需變化這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，可快速獲得相應(yīng)的破損艙室進(jìn)水情況。

為方便顯示破損進(jìn)水艙室的位置范圍，將破艙標(biāo)識(shí)為不同于浮箱整體背景色的顯著顏色，如紅Red、黃Yellow、綠Green、青Cyan、藍(lán)Blue、洋紅Magenta、黑Black。具體實(shí)施過程如下：依據(jù)某一破損狀態(tài)下破艙在該狀態(tài)下的內(nèi)部編號(hào)，依次設(shè)置為以上七種顏色中的一種。基于狀態(tài)內(nèi)部編號(hào)，利用mod函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上述顯著顏色組合的循環(huán)。將當(dāng)前破損艙室加入當(dāng)前選擇SelectionI，由SelectionI.VisProperties.SetRealColor（iRed， iGreen，iBlue， 1!）函數(shù)來(lái)設(shè)置破艙顏色。對(duì)該狀態(tài)下的破艙數(shù)進(jìn)行循環(huán)，可得到進(jìn)水總量、進(jìn)水重心位置、當(dāng)前狀態(tài)船當(dāng)量排水量，以便于破艙專用程序計(jì)算結(jié)果加以比較。CATIA中氣墊船破艙進(jìn)水情況顯示及校核的流程框圖可參見下頁(yè)圖7。

如圖6所示，船的姿態(tài)及艙室破損進(jìn)水情況可一目了然，也便于從不同角度旋轉(zhuǎn)觀察。需要說(shuō)明的是CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench（“SPAWorkbench”）. Inertias.Add（objProduct） 來(lái)獲得objProduct的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)信息，只能通過CATScript程序來(lái)獲得。

圖6 氣墊船典型破艙示意圖（不同顏色代表不同破損艙室）

1.5 破艙進(jìn)水對(duì)船姿態(tài)影響的快速評(píng)估

全墊升氣墊船的船體浮箱結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，在登灘越障及風(fēng)浪中進(jìn)出母艦塢艙時(shí)，容易受損破壞。沖灘越障過程中船體浮箱受損后，處于水上浮態(tài)排水狀態(tài)時(shí)，船體會(huì)因破艙進(jìn)水而傾斜。但氣墊船設(shè)有圍裙氣墊系統(tǒng)，可在非墊升的浮態(tài)排水狀態(tài)與墊升狀態(tài)兩種不同模式下運(yùn)行。在墊升狀態(tài)下，船體浮箱被高壓氣墊托高懸浮在運(yùn)行表面之上，浮箱破損處不會(huì)再進(jìn)水。因此，估算浮箱破損孔洞位置以及進(jìn)水量與進(jìn)水時(shí)間的關(guān)系顯得較為重要，短時(shí)間內(nèi)的進(jìn)水量及其對(duì)船墊升狀態(tài)下姿態(tài)角影響的估算，可為船破損后能否快速由浮態(tài)轉(zhuǎn)換為墊態(tài)安全航行提供依據(jù)。同時(shí)也可利用氣墊船裝備的燃油調(diào)駁系統(tǒng)通過調(diào)油來(lái)將船在墊升狀態(tài)下壓平提供參考。此外，這時(shí)可根據(jù)破損艙室的進(jìn)水量與位置確定其對(duì)船體產(chǎn)生的縱、橫傾力矩，然后由氣墊船的縱向、橫向墊態(tài)穩(wěn)性估算出墊態(tài)航行時(shí)的最大縱、橫傾角，由此判別船的墊態(tài)航行安全性。

圖7 CATIA中氣墊船破艙顯示及校核的流程框圖

由于氣墊船在排水狀態(tài)與墊升狀態(tài)下的穩(wěn)性差別巨大，排水狀態(tài)下每度縱/橫傾所需力矩為墊升狀態(tài)下每度縱/橫傾所需力矩的4倍左右，因而破艙進(jìn)水對(duì)墊態(tài)航行影響顯著。由于氣墊船單側(cè)墊升時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)最大橫傾角接近10°，于是可利用單側(cè)墊升使破艙內(nèi)的進(jìn)水排出去一些兒，減少其對(duì)墊態(tài)航行姿態(tài)的影響。另一方面，參見下頁(yè)圖8，船體浮箱側(cè)部周邊下部包覆有圍裙，船在水中時(shí)，不易觀測(cè)破損孔洞位置及形狀，可利用船墊升后的縱、橫傾角值與正常無(wú)破損狀態(tài)下的值作比較，大體判斷破艙位置及進(jìn)水量。氣墊船的船體浮箱結(jié)構(gòu)易破損進(jìn)水，由于墊態(tài)航行的關(guān)系，每次進(jìn)水量短期內(nèi)可能不明顯，同時(shí)存在可變載荷（人員、油水、運(yùn)輸裝備等）變動(dòng)大等因素。因此，需要較準(zhǔn)確地掌握氣墊船的空船質(zhì)量及重心位置，如美國(guó)LCAC每年必須進(jìn)行空船稱重，并將結(jié)果記在上層建筑的銘牌內(nèi)，以便隨時(shí)參考使用。

圖8 氣墊船船體浮箱的典型破損孔洞位置示意（圖中圓圈所在位置）

2 興波計(jì)算結(jié)果在CATIA中的可視化

全墊升氣墊船設(shè)有獨(dú)特的圍裙氣墊系統(tǒng)，在墊升狀態(tài)下，高壓氣流會(huì)使船底下方水面凹陷，隨著航速增大，氣墊興波波形隨之發(fā)生變化。在圍裙下部手指末端對(duì)已的興波波面高度不同，會(huì)產(chǎn)生氣墊興波阻力、側(cè)向力、搖首力矩，引起船縱傾角、橫傾角的變化。

2.1 興波計(jì)算方法說(shuō)明

目前用于氣墊興波計(jì)算的方法主要有兩種：一是HUANG T T與WONG K K［6］發(fā)展的Newman& Poole［7］興波計(jì)算方法，二是 CUMMINGS D，YEUNG R等人［8］為美國(guó)LCAC的母型船JEFF B六自由度數(shù)學(xué)模型開發(fā)的基于Kernel函數(shù)的氣墊興波實(shí)時(shí)計(jì)算方法。氣墊船越出阻力峰墊態(tài)高速航行時(shí)，基本懸浮在運(yùn)行表面之上，阻尼小，在外界風(fēng)浪作用下易側(cè)滑，故帶側(cè)滑角的斜航興波是氣墊船的一大特色。

圖9 氣墊船船首方向與前進(jìn)方向（航跡向）存在側(cè)滑角Beta

2.2 興波計(jì)算結(jié)果可視化

為直接觀察與方便獲得興波波面與圍裙手指末端的相互關(guān)系，與船底中部的分隔圍裙手指對(duì)應(yīng)的波面升高，以及興波在圍裙氣墊圍線之外的分布情況（如用于氣墊破冰計(jì)算），有必要實(shí)現(xiàn)氣墊興波波形的可視化。以下將對(duì)在Matlab以及CATIA中實(shí)現(xiàn)氣墊興波計(jì)算結(jié)果的可視化分別加以討論。

2.2.1 Matlab中利用Surf函數(shù)實(shí)現(xiàn)可視化

在Matlab中編制顯示由Fortran程序計(jì)算得到興波波形的程序，利用Surf（X，Y，Z）函數(shù)構(gòu)建三維興波波形。需要說(shuō)明的是，參數(shù)X、Y為一維行向量，而參數(shù)Z為二維矩陣，Z的行數(shù)應(yīng)與Y的變量個(gè)數(shù)一致，而列數(shù)與X的變量個(gè)數(shù)一致。利用本文編制的程序首先對(duì)Zilman［9］計(jì)算得到的深水情況下氣墊船斜航在不同F(xiàn)r與側(cè)滑角β時(shí)的氣墊興波阻力、側(cè)向力、搖首力矩對(duì)應(yīng)無(wú)因次系數(shù)Cx、Cy、Cm作三維顯示，見下頁(yè)圖10。氣墊船不同航速與側(cè)滑角下的氣墊興波波形可視化效果見下頁(yè)圖11，另外可分別交互指定X、Y對(duì)應(yīng)的顯示范圍。有了三維曲面，即可由Matlab中的interP2（）函數(shù)插值獲得任意Fr與β下的Cx、Cy、Cm值，從而為氣墊船六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真提供運(yùn)動(dòng)阻力的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖10 Zilman計(jì)算得到的深水情況下斜航氣墊興波阻力及其三維可視化圖形

圖11 美國(guó)LCAC氣墊興波波形三維可視化圖形

2.2.2 CATIA中實(shí)現(xiàn)興波可視化

在CATIA中進(jìn)行二次開發(fā)，將由Fortran程序計(jì)算得到的興波數(shù)據(jù)文件讀入，沿X軸、Y軸方向分別構(gòu)建Polyline連接線，再利用多截面曲面（MultiLoft）函數(shù)，形成三維波面。對(duì)前述Zilman斜航興波阻力的可視化見圖12。CATIA中可方便得到興波波面的Contour，即利用不同Zi值的水平面去剖切曲面，將形成的交貫線在水平面上投影即可，氣墊船不同航速與側(cè)滑角下的氣墊興波波形可視化效果見圖13。

圖12 Zilman計(jì)算得到的斜航氣墊興波阻力在CATIA中三維可視化圖形（下部為等高線圖）

2.3 CATIA中興波波形可視化擴(kuò)展應(yīng)用

在CATIA中依據(jù)圍裙手指末端所在氣墊圍線，求得其與氣墊興波波面的交線，得到圍線前后左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的波面高度差，可基于積分獲得興波所致阻力、側(cè)向力、搖首力矩，以及縱、橫傾角變化。如美國(guó)LCAC上裝備的第一代深型柔性圍裙（其上為主船體）、SSC上安裝的Textron先進(jìn)圍裙及其氣墊圍線對(duì)應(yīng)的興波波高見圖14。美國(guó)LCAC在阻力峰處圍裙下端氣墊圍線對(duì)應(yīng)的氣墊興波波形見圖15。

圖13 氣墊興波波形三維可視化圖形

圖14 美國(guó)LCAC、SSC圍裙及其氣墊圍線對(duì)應(yīng)興波（紅色線框所圍區(qū)域）

圖15 美國(guó)LCAC圍裙下端氣墊圍線對(duì)應(yīng)興波波形以及三視圖（粉色線框?yàn)閷?duì)應(yīng)的初始靜水面初始位置Z向放大）

美國(guó)LCAC在阻力峰處，側(cè)部圍裙下部手指與 氣墊興波波面之間的相互位置關(guān)系見圖16。

圖16 美國(guó)LCAC圍裙下端與興波波面之間的相互關(guān)系

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：氣墊興波波面為近似正弦曲線，而側(cè)部圍裙下部設(shè)計(jì)為一水平直線，從而導(dǎo)致部分手指浸入興波波面之內(nèi)，由圖可獲得浸水圍裙手指的濕表面積。在阻力峰處，首部及側(cè)前部圍裙手指下端與水面之間存在較大氣墊泄流飛高，而側(cè)后部圍裙手指浸水。在圍裙手指與水面剛好接觸的側(cè)部處，氣墊泄流飛高變?yōu)?，水面受圍裙手指干擾而破碎形成水花飛濺，這與氣墊船船模拖航及實(shí)船航行試驗(yàn)中觀察的水花飛濺現(xiàn)象較為一致。

氣墊船由于其破冰能力強(qiáng)、破冰速度快，而成為破冰的一個(gè)有力手段。俄羅斯正在研發(fā)的自航式氣墊破冰平臺(tái)的破冰效果如圖17所示。

有了氣墊興波的可視化，可直觀地觀察到興波影響的范圍，從而更好地理解其對(duì)破冰能力及破冰范圍的影響。

圖17 俄羅斯新型自航式破冰船破冰效果圖

3 氣墊壓力、囊壓測(cè)試結(jié)果的可視化

氣墊船墊態(tài)航行時(shí)高壓氣墊將船體墊升在運(yùn)行表面之上，外界波浪通過圍裙內(nèi)部氣墊壓力波動(dòng)將載荷施加在船底結(jié)構(gòu)，形成氣墊減載效應(yīng)［10］；同時(shí)，圍裙氣墊壓力與大囊壓力的波動(dòng)也導(dǎo)致圍裙承受動(dòng)態(tài)載荷，尤其是在圍裙與船體的剛性安裝連接邊處。因此，實(shí)時(shí)測(cè)量船在波浪中航行時(shí)的氣墊壓力、囊壓對(duì)分析船體、圍裙受力情況具有重要作用。

3.1 測(cè)試結(jié)果可視化

由于壓力測(cè)點(diǎn)只能布置在船典型位置處，將壓力測(cè)試結(jié)果可視化，可直觀地觀察某一時(shí)間點(diǎn)上壓力的空間分布情況，判斷氣墊壓力、囊壓測(cè)得值的合理性。船模的壓力測(cè)試值空間分布見下頁(yè)圖18，每組分別包含測(cè)試時(shí)段內(nèi)的壓力最大值、平均值、最小值。

3.2 擴(kuò)展應(yīng)用

基于氣墊壓力測(cè)試結(jié)果，可進(jìn)一步獲得由分隔圍裙將氣墊分隔形成不同氣室下的壓力波動(dòng)變化情況，結(jié)合氣墊興波波面升高、下降對(duì)波面與氣墊圍線所圍容積的變化，分析壓力變化情況。結(jié)合記錄當(dāng)時(shí)的外界波浪狀態(tài)，可獲得波浪泵吸對(duì)氣墊壓力波動(dòng)的影響，以及遭遇特定波長(zhǎng)涌浪下船垂向加速度超過1g情形下，氣墊壓力的波動(dòng)情況，為墊升系統(tǒng)改進(jìn)提供參考。

圖18 船模壓力測(cè)試結(jié)果可視化

4 結(jié) 語(yǔ)

全墊升氣墊船存在獨(dú)有的圍裙氣墊系統(tǒng)，墊態(tài)航行時(shí)高壓氣墊將船體托離在運(yùn)行表面之上，具有水陸兩棲性，存在多種運(yùn)行模式。墊態(tài)航行的特點(diǎn)使其對(duì)質(zhì)量要求嚴(yán)苛。船體浮箱結(jié)構(gòu)薄弱，登陸越障使浮箱破損風(fēng)險(xiǎn)大，只能密集劃分水密艙室，但破艙安全要求較高。自身的氣墊興波引起船阻力、側(cè)向力、搖首力矩，導(dǎo)致縱、橫傾角變化，帶側(cè)滑角斜航時(shí)，興波力與力矩更為復(fù)雜。自身氣墊興波、外界波浪會(huì)改變氣室與水面之間的容積，引起氣墊壓力與囊壓的波動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)船底結(jié)構(gòu)、圍裙的動(dòng)載荷。本文通過CATIA中二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果、三維興波波形、氣墊壓力測(cè)試結(jié)果的可視化，方便直觀這些數(shù)值的空間分布情況，有利于對(duì)氣墊船性能進(jìn)行綜合分析。