李日杰，吳方良，劉明靜

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

0 引言

三維設(shè)計(jì)由于突破了平面和二維設(shè)計(jì)模式的限制，對(duì)于總體綜合布置具有重要的意義，在航空、船舶和汽車等各行業(yè)應(yīng)用都十分廣泛［1］。世界造船發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視三維設(shè)計(jì)、建造一體化研究開(kāi)發(fā)工作，并已經(jīng)運(yùn)用于實(shí)船的設(shè)計(jì)與建造，英國(guó)VESEL公司、韓國(guó)現(xiàn)代船廠及美國(guó)電船公司等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三維一體化造船［2］，西班牙SENER公司推出的Foran軟件系統(tǒng)能夠提供集成化的全三維數(shù)字化船舶模型。目前國(guó)內(nèi)船舶三維設(shè)計(jì)正處于起步階段，與國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距，靜力性能計(jì)算仍以二維設(shè)計(jì)和人工計(jì)算為主，基于三維模型開(kāi)展的靜力性能計(jì)算應(yīng)用很少，尚無(wú)完整的軟件平臺(tái)系統(tǒng)和計(jì)算方法。

靜水力曲線是船舶正浮時(shí)的浮性、穩(wěn)性要素與其平均吃水間關(guān)系曲線的總稱，全面表達(dá)了船舶在靜止正浮狀態(tài)下浮性和穩(wěn)性要素隨吃水而變化的規(guī)律［3］，能夠綜合反映船舶的靜力性能，因此具有很強(qiáng)代表性。本文應(yīng)用數(shù)學(xué)型線法和三維參數(shù)化建模方法，快速生成船體型線，精確構(gòu)建附帶屬性和邊界條件的船舶三維模型，開(kāi)展基于Catia軟件平臺(tái)的三維模型靜水力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)計(jì)算的自動(dòng)化和程序化，并能保證結(jié)果精度，以提高設(shè)計(jì)手段，改進(jìn)計(jì)算方法。

1 計(jì)算流程

研究Catia二次開(kāi)發(fā)的Automation函數(shù)庫(kù)，利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)函數(shù)快速、精確生成三維模型及其附帶屬性，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的靜力性能計(jì)算幾何特征處理功能，得到符合規(guī)范的靜力性能計(jì)算輸入數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，為靜力性能計(jì)算處理出精確、完備的計(jì)算數(shù)據(jù)［4］。

根據(jù)船舶外形三維設(shè)計(jì)的流程，使用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使得基于三維模型的性能分析過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，大大減少了設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)頻繁更改所帶來(lái)的重復(fù)工作，解決數(shù)據(jù)孤島和精確三維建模在設(shè)計(jì)中帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題［5］。

船舶外形設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)通過(guò)在Catia中直接建模，既保證了設(shè)計(jì)、分析數(shù)據(jù)的同源性，同時(shí)生成的模型可以發(fā)布到下一個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 計(jì)算流程Fig.1 The calculation flow

2 計(jì)算模型

2.1 型線設(shè)計(jì)

船舶型線設(shè)計(jì)，一般有2種方法，即型值法和數(shù)學(xué)型線法。所謂型值法，即參考母型船型值生成船舶外形輪廓線，根據(jù)總體布置設(shè)計(jì)和曲線光順設(shè)計(jì)要求，通過(guò)局部修改或相似變換進(jìn)行逐步光順逼近，最終獲得船舶的型線和型值［6］。而數(shù)學(xué)型線法，是利用數(shù)學(xué)函數(shù)表示船體表面的形狀，使這些數(shù)學(xué)函數(shù)與船舶的主尺度和要素關(guān)聯(lián)，綜合考慮各種要求，調(diào)整這些函數(shù)以達(dá)到滿意的船型。

對(duì)于水滴型潛艇模型的輪廓線，無(wú)論是主艇體還是上層建筑，均是受一定邊界條件約束的曲線。進(jìn)流段型線通常采用回轉(zhuǎn)體首型，去流段型線通常采用拋物線回轉(zhuǎn)體，去流段長(zhǎng)度一般控制在3～3.5倍艇體最大直徑。輪廓線有多種數(shù)學(xué)描述方法，本文采用公式 (1)的數(shù)學(xué)方程式 (參數(shù)方程)進(jìn)行描述。

式(1)在實(shí)際工程中得以廣泛應(yīng)用，所描述的曲線有很好的保突性，端點(diǎn)約束及豐滿度也便于控制，只要確定了系數(shù)a0，a1和a2，曲線的形狀也就唯一地確定了。本文構(gòu)建的模型，其首部進(jìn)流段輪廓線和尾部去流段輪廓線分別如圖2和圖3所示。

指揮室圍殼一般有機(jī)翼型、轎車型、臺(tái)階型和混合型等多種形式，其中機(jī)翼型指揮室圍殼的水平剖面和橫剖面均為對(duì)稱的流線型機(jī)翼剖面，這種形式具有良好的阻力性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝方便，在世界各國(guó)潛艇普遍采用［7］。在設(shè)計(jì)中以底端為基準(zhǔn)剖面，其他水線高度處的水線面形狀以基準(zhǔn)剖面為基礎(chǔ)結(jié)合舷長(zhǎng)經(jīng)仿形變換計(jì)算求得，其輪廓線如圖4所示。

圖4 指揮室圍殼輪廓線Fig.4 The contour line of sail

2.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模體現(xiàn)在對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的控制上，這些關(guān)鍵參數(shù)包含尺寸、重量、重心、容積、容心等結(jié)構(gòu)參數(shù)和L/B、L/H等形狀參數(shù)，通過(guò)參數(shù)控制可以獲取滿足設(shè)計(jì)要求的艇體形狀。

在Catia中輸入主艇體、指揮室圍殼、圍殼舵、尾操縱面等結(jié)構(gòu)的型線，控制相應(yīng)的屬性參數(shù)，生成曲面模型，建立各結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，再通過(guò)裝配設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，從而得到潛艇三維模型，如圖5和圖6所示。

2.3 靜水力計(jì)算

傳統(tǒng)的船舶靜水力計(jì)算思路是:沿船舶縱向方向選取多個(gè)不同的橫剖面，按幾何公式計(jì)算出船體的橫剖面要素，從船體尾端點(diǎn)向首端點(diǎn)縱向積分，求得船體的容積及水線面要素，再將全船的水線面要素和總排水容積要素進(jìn)行綜合計(jì)算便可得到船舶的靜水力曲線。顯然，計(jì)算結(jié)果的精度受橫剖面?zhèn)€數(shù)的影響，橫剖面選取越密，計(jì)算精度就越高，此計(jì)算方法在工程中得到廣泛應(yīng)用和有效驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)Catia進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，生成Automation函數(shù)庫(kù)，構(gòu)建基于三維模型的計(jì)算功能模塊，并對(duì)模塊進(jìn)行封裝搭建靜力性能計(jì)算平臺(tái)框架和系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)者能直接在計(jì)算界面中操作。計(jì)算模板是對(duì)設(shè)計(jì)、建模、分析過(guò)程中涉及的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和軟件操作進(jìn)行封裝后形成的可重復(fù)使用的模塊化組件。模板提供面向工程的人機(jī)交互界面，減少設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)、分析過(guò)程中的各種重復(fù)性勞動(dòng)，大大降低了軟件使用門檻并將工作過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，并能通過(guò)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

根據(jù)不同的水線高度生成相應(yīng)的水平平面，并用各平面截取船體的實(shí)體三維模型，求取各水平面以下的容積、水線面面積、慣性矩等要素，再對(duì)計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)程序計(jì)算，完成容積矩、浮心、每厘米吃水噸數(shù)、穩(wěn)性半徑等要素。該計(jì)算最終可以獲取模型在不同吃水T時(shí)的靜水力曲線要素，包括排水容積V、浮心縱向坐標(biāo)xB、浮心垂向坐標(biāo)zB、漂心縱向坐標(biāo)xF、橫穩(wěn)心半徑r、縱穩(wěn)心半徑R、每厘米吃水噸數(shù)TPC、每厘米縱傾力矩MCT、水線面面積AW等要素信息，計(jì)算界面如圖7所示。

圖7 計(jì)算界面Fig.7 The calculation interface

3 結(jié)果分析

本文對(duì)某假定潛艇模型進(jìn)行參數(shù)化建模和靜水力計(jì)算，該模型總長(zhǎng)L=115.00 m，型寬B=10.00 m，型深D=10.80 m，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果Tab.1 The result of calculation

在吃水T=6.80 m時(shí)，該計(jì)算數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的二維積分計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2種計(jì)算方法結(jié)果相近，這證實(shí)了基于三維模型的靜水力計(jì)算可靠有效，可以應(yīng)用在理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)中。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 The contrast of calculation

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用數(shù)學(xué)型線法和三維參數(shù)化建模方法，快速生成主艇體型線，精確構(gòu)建附帶屬性和邊界條件的三維模型，通過(guò)對(duì)Catia軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將三維設(shè)計(jì)和靜水力計(jì)算有效集成，提出了基于船舶三維參數(shù)化建模的靜水力計(jì)算方法，可以直接計(jì)算和獲取其靜水力要素。與傳統(tǒng)的二維積分計(jì)算相比，此計(jì)算方法工作量得以降低，計(jì)算界面清晰直觀，過(guò)程大為簡(jiǎn)化，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以有效的預(yù)報(bào)和分析船舶靜力船舶性能要素，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)于船舶總體設(shè)計(jì)和性能計(jì)算具有重要的指導(dǎo)意義。

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