陳茂勇 陳 飛

（上海外高橋造船有限公司 設(shè)計(jì)一所 上海200137）

引 言

外板展開圖（Shell Expansion，以下簡(jiǎn)稱SE）是船舶設(shè)計(jì)中最主要的結(jié)構(gòu)圖之一，反映了船體外板的結(jié)構(gòu)形式、板規(guī)布置和分段劃分等重要內(nèi)容。傳統(tǒng)手工外板展開的主要工作在于反復(fù)地求取各縱向構(gòu)件與肋骨線交點(diǎn)在SE上的坐標(biāo)，亦即反復(fù)量取各肋骨線在不同交點(diǎn)處的曲線長(zhǎng)度（區(qū)間圍長(zhǎng)）。這種具備明確規(guī)則、單一且耗時(shí)的重復(fù)性工作，完全可由計(jì)算機(jī)程序來完成。AutoCAD作為通用的繪圖軟件，提供了強(qiáng)大豐富的基礎(chǔ)繪圖功能，但對(duì)諸多專業(yè)領(lǐng)域的支持仍顯不足。故此，需對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，借助程序?qū)崿F(xiàn)船體外板的自動(dòng)展開。

目前，已有同行嘗試?yán)贸绦騺磔o助進(jìn)行外板展開，但仍存在一些不足。主要體現(xiàn)在：

（1）肋骨型線的圖層需嚴(yán)格命名［1］，對(duì)數(shù)據(jù)源的適用性要求較高，且圖層名攜帶的信息量有限；

（2）程序?qū)吖切途€的識(shí)別不夠智能，需手動(dòng)按順序選擇對(duì)象來保證展開的準(zhǔn)確性［2］；

（3）展開過程中仍需較多的手工干預(yù)［3］，自動(dòng)化程度不理想；

（4）不具備展開線的標(biāo)準(zhǔn)化功能。

對(duì)此，本文探討了一種新的外板自動(dòng)展開技術(shù)，較好地解決了上述不足。

1 技術(shù)原理及程序設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)原理

船舶設(shè)計(jì)中外板的展開是一種近似展開，即橫向展開、縱向不展開。因此，船體外板上任意一點(diǎn)在展開后，沿船長(zhǎng)方向的坐標(biāo)保持不變，而沿船寬方向的坐標(biāo)與該點(diǎn)在肋骨線上距中心線的曲線長(zhǎng)度有關(guān)（如圖1所示）。通常，SE是以肋骨型線圖（Frame Lines，以下簡(jiǎn)稱FL）為基礎(chǔ)繪制而成。

圖1 肋骨型線圖和外板展開圖

1.2 程序設(shè)計(jì)流程

AutoCAD為工程設(shè)計(jì)人員提供了諸多二次開發(fā)途徑，其內(nèi)嵌的AutoLISP/Visual LISP編程語(yǔ)言［4］，實(shí)用且易學(xué)，在此被用作外板自動(dòng)展開程序的二次開發(fā)工具。

為便于后文敘述，先定義兩個(gè)概念：

（1）肋骨線 泛指船體外板曲面上處于肋位面內(nèi)的任意構(gòu)件線、板縫線或其他虛擬線。

（2）縱線 泛指船體外板曲面上與肋骨線相交的任意構(gòu)件線、板縫線或其他虛擬線。

船體型線由兩者共同組成。

根據(jù)近似展開原理，要將FL展開成SE，關(guān)鍵在于獲取FL上縱線和肋骨線的交點(diǎn)，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)在SE上的坐標(biāo)。因此，程序需具備如下三個(gè)基本功能：

（1） 自動(dòng)識(shí)別FL上的縱線和肋骨線；

（2） 自動(dòng)獲取縱線和肋骨線在FL上的交點(diǎn)；

（3） 自動(dòng)計(jì)算交點(diǎn)在SE上對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。

此外，為減少展開過程中的手工干預(yù)，程序設(shè)計(jì)時(shí)增加如下兩個(gè)重要的輔助功能：

（1） 自動(dòng)提取平底線和平邊線；

（2） 自動(dòng)完成展開線的標(biāo)準(zhǔn)化。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展開的前提在于如何使程序“認(rèn)識(shí)”并區(qū)分FL上的縱線和肋骨線。其中，肋骨線的肋位號(hào)識(shí)別是關(guān)鍵，它決定了SE上各點(diǎn)的橫坐標(biāo)。AutoCAD中普通的曲線圖形上不包含肋位號(hào)信息，因而需要采用特定的方式對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，使之與對(duì)應(yīng)的肋位號(hào)相互關(guān)聯(lián)。

本程序通過賦予圖元擴(kuò)展數(shù)據(jù)的方法來實(shí)現(xiàn)與肋位號(hào)的關(guān)聯(lián)。AutoCAD中每個(gè)曲線對(duì)象都是一個(gè)圖元，圖元的擴(kuò)展數(shù)據(jù)隨文檔保存，不因編輯等操作而丟失。被賦予擴(kuò)展數(shù)據(jù)的型線將具備一種額外的自定義屬性，使其可以被程序“認(rèn)識(shí)”并從復(fù)雜圖形中篩選出來。擴(kuò)展數(shù)據(jù)的使用，不會(huì)對(duì)圖形造成任何可見的改變，但能被方便地編輯、查看和讀取。

按上文分析，程序設(shè)計(jì)流程如下頁(yè)圖2所示，后文將以主要程序代碼來進(jìn)行介紹。

1.3 建立工程項(xiàng)

圖2 程序設(shè)計(jì)流程

為提升程序自動(dòng)化程度，這里引入工程項(xiàng)的概念。將外板展開過程中所需的各項(xiàng)固定輸入條件寫入到一個(gè)文本文件，作為工程項(xiàng)保存。在開始或繼續(xù)一個(gè)工程前，先選擇對(duì)應(yīng)的工程項(xiàng)，輸入條件將被讀取到AutoCAD內(nèi)存空間，作為全局變量供程序隨時(shí)調(diào)用。工程項(xiàng)的設(shè)置，既避免了反復(fù)手動(dòng)選擇對(duì)象或輸入各項(xiàng)參數(shù)的麻煩，還能使程序在不同項(xiàng)目間快速切換。

工程項(xiàng)主要包括肋距配置、FL/SE坐標(biāo)原點(diǎn)定義和主尺度等相關(guān)參數(shù)。肋距配置是其中較為關(guān)鍵的一項(xiàng)，它決定了型線上各點(diǎn)展開后的X坐標(biāo)。肋距配置同樣被寫入到文本文件，格式如圖3所示。

圖3 肋距配置文件

編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的肋距解析程序，只要給定肋位號(hào)，就可得到點(diǎn)在SE中X坐標(biāo)。例如，求#54肋位的X坐標(biāo)，計(jì)算公式為x=50×800+（FR-50）×860，將54代入公式中的FR即可。示例代碼如下：

坐標(biāo)原點(diǎn)的定義，使程序能夠準(zhǔn)確讀取型線交點(diǎn)的坐標(biāo)并在指定位置進(jìn)行外板展開。

主尺度的定義，使程序能夠根據(jù)型寬、型深和船長(zhǎng)等數(shù)據(jù)將視圖縮放到特定的范圍。利用SSGET函數(shù)，將擴(kuò)展數(shù)據(jù)作為過濾條件，程序可自動(dòng)選擇該范圍內(nèi)符合條件的型線；再配合VL-SORT函數(shù)，將肋位號(hào)作為對(duì)比條件對(duì)選擇集中的型線（主要是肋骨線）進(jìn)行排序，即可省去手動(dòng)依次選擇型線的操作。

1.4 型線的編號(hào)和識(shí)別

肋骨線以肋位號(hào)來編號(hào)，下面的代碼可將包含肋位號(hào)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)添加到肋骨線上：

實(shí)現(xiàn)了肋位號(hào)的讀取，只要配合肋距解析程序，就可求得FL上任意型線交點(diǎn)在SE上對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)。

同理，每條縱線亦可被編號(hào)。對(duì)上述代碼稍作修改，將擴(kuò)展數(shù)據(jù)注冊(cè)標(biāo)記″FR″更改為 ″LL″，將數(shù)據(jù)類型代碼1040更改為1000即可實(shí)現(xiàn)。與肋位線編號(hào)不同的是，縱線的編號(hào)更加隨意，編號(hào)可以是 ″L1″、 ″UPPER DECK″或 ″20400 A/B″等。因?yàn)檫@種隨意性，程序可實(shí)現(xiàn)縱線的全自動(dòng)編號(hào)，如″SL9000″、 ″SL9001″……依次遞增。程序自動(dòng)識(shí)別已編號(hào)的縱線，忽略未編號(hào)的縱線，這樣可避免“一鍵”展開過程中無關(guān)曲線帶來的干擾，降低了程序?qū)L的適用性要求。

相比于利用圖層名等定義型線編號(hào)，上述方法不但不需修改FL的圖層名，還能使型線攜帶更多有助于外板準(zhǔn)確展開的附加信息。比如， 當(dāng)FL中的#20～#115肋骨線在某一段完全重合，經(jīng)過此段肋骨線的縱線起始肋位為#25，終止肋位為#110。如果僅憑與肋骨線的交點(diǎn)來展開，該縱線將在#20～#115肋位之間展開，超出實(shí)際區(qū)間。此時(shí)，可以在該縱線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)中再增加一組限定肋位區(qū)間的特定數(shù)據(jù)，程序在檢測(cè)到這組數(shù)據(jù)時(shí)，該縱線將只在限定的肋位區(qū)間展開。

1.5 求解型線交點(diǎn)和肋骨線區(qū)間圍長(zhǎng)

欲獲取肋骨線的區(qū)間圍長(zhǎng)，先要確定該區(qū)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。AutoCAD中的曲線均有方向性，程序中需增加對(duì)曲線方向的判斷。假設(shè)肋骨線靠近FL坐標(biāo)原點(diǎn)（中心線與基線交點(diǎn)）的端點(diǎn)為起點(diǎn)，則縱線與肋骨線的交點(diǎn)為終點(diǎn)。起點(diǎn)是確定的，終點(diǎn)需要求解。

為避免求解過程中的手工干預(yù)，提高自動(dòng)化程度，程序設(shè)置了三個(gè)逐級(jí)嵌套的遍歷過程（求解流程見圖4）。

圖4 交點(diǎn)求解流程

（1）通過識(shí)別型線的編號(hào)，可獲取所有縱線的集合。遍歷縱線集合，得到與任意一條縱線相交的肋骨線集合。示例代碼如下：

（2）遍歷肋骨線集合，獲取任意縱線與肋骨線的交點(diǎn)集合。單個(gè)縱線與肋骨線的交點(diǎn)由下方代碼求得：

1.6 外板展開

SE從中縱剖線開始展開，其上任意點(diǎn)的Y坐標(biāo)為FL對(duì)應(yīng)點(diǎn)處肋骨線區(qū)間圍長(zhǎng)加上肋骨線最低點(diǎn)到基線的距離。以圖1中的P1點(diǎn)為例，肋骨線最低點(diǎn)到基線的距離為H1，P1處肋骨線區(qū)間圍長(zhǎng)為L(zhǎng)1，則展開后對(duì)應(yīng)點(diǎn)P1′的Y坐標(biāo)為H1+L1。對(duì)于P2′，肋骨線最低點(diǎn)到基線的距離為0，其Y坐標(biāo)為L(zhǎng)2。

通過上文分析，已分別求得SE上點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，將這些點(diǎn)有序連接起來，即可實(shí)現(xiàn)外板展開。

1.6.1 肋骨線展開

肋骨線展開后為一條直線段，因此，只要給出已知的起點(diǎn)P_S′和終點(diǎn)P_E′，即可生成肋骨展開線。最簡(jiǎn)單的方法是使用COMMAND函數(shù)來執(zhí)行畫直線的命令：

1.6.2 縱線展開

縱線展開是外板展開的主要內(nèi)容，一般使用多段線繪制。假設(shè)某條縱線經(jīng)由上述分析得到的交點(diǎn)集合為points，其中包括p1，p2…pn共n個(gè)交點(diǎn)。程序通過生成圖元內(nèi)部組碼來新建多段線，代碼如下：

需要指出的是，在FL中，船體中心線和甲板線也屬于縱線范疇，可由程序自動(dòng)展開。前者展開后為中縱剖線，后者展開后為甲板邊線。因此，兩者應(yīng)同樣被賦予縱線編號(hào)。船體首尾處的線型變化較大，增加FL上的肋骨線密度，可使縱線展開后更加光順。

1.6.3 提取平底線和平邊線

程序可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取平底線和平邊線。事實(shí)上，平底線和平邊線在FL上有其對(duì)應(yīng)的虛擬縱線。前者為沿基線的直線段，后者為沿船體半寬的垂向直線段。在FL中繪制出這兩條虛擬縱線并進(jìn)行編號(hào)，即可由程序自動(dòng)展開。不過，該方法的不足之處在于，這兩條虛擬縱線的準(zhǔn)確展開對(duì)型線精度要求極高，利用常規(guī)的FL展開后，往往不能得到令人滿意的光順線型。

解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于降低型線精度對(duì)縱線展開的影響，此處使用另一種方法來實(shí)現(xiàn)。以平底線為例，平底線在FL中與肋骨線的交點(diǎn)均位于基線上，且交點(diǎn)必定為肋骨線（二維多段線）上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，只要提取出每條肋骨線與基線重合段最靠近舷側(cè)的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換成SE上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，并連接成多段線即可。換而言之，各肋骨線的節(jié)點(diǎn)中，Y坐標(biāo)為0，且X坐標(biāo)絕對(duì)值最大的就是平底線在FL上所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。依此思路，問題即變?yōu)榉治鯢L中肋骨線的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。為降低對(duì)FL的線型精度要求，可設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)脑什頣（如0.1）。假設(shè)肋骨線節(jié)點(diǎn)的Y坐標(biāo)絕對(duì)值不大于T，則斷定該點(diǎn)位于基線上（參考如下代碼）。

其中fr_lst為按肋位號(hào)排序的肋骨線集合，可通過分析肋骨線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)得到。程序的運(yùn)行結(jié)果為平底線在FL上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集，經(jīng)由程序轉(zhuǎn)換成SE上的點(diǎn)集并連接成線，即為平底線。平邊線可由類似方法提取。

2 標(biāo)準(zhǔn)化

至此，外板展開的主要內(nèi)容已完全由程序?qū)崿F(xiàn)。為減少后續(xù)手工干預(yù)，可由程序?qū)φ归_線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，使之符合企業(yè)的繪圖標(biāo)準(zhǔn)，包括圖層、顏色、線型、線寬等內(nèi)容。以圖層設(shè)置為例，假設(shè)在繪圖標(biāo)準(zhǔn)中，縱桁結(jié)構(gòu)在圖面上的標(biāo)注名稱為*GIRDER*，其圖層名為L(zhǎng)AYER5，普通縱骨展開線的圖層名為L(zhǎng)AYER1。用戶可將*GIRDER*作為該縱桁編號(hào)，程序通過識(shí)別縱線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)，自動(dòng)將編號(hào)包含*GIRDER*的縱線展開歸入到LAYER5圖層，其余則歸入LAYER1圖層。示例代碼如下：

同理，將繪圖標(biāo)準(zhǔn)中的顏色、線型、線寬等設(shè)置與型線編號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，可由程序自動(dòng)完成對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置。

3 結(jié) 論

提升，還能有效避免展開過程中可能產(chǎn)生的誤差和錯(cuò)誤。在實(shí)際開發(fā)中，AutoLISP編程語(yǔ)言配合DCL（對(duì)話控制語(yǔ)言）可以展現(xiàn)友好的交互式界面，提升程序易用性。限于篇幅，文中所示的程序代碼多經(jīng)過簡(jiǎn)化，在此僅作為自動(dòng)展開技術(shù)的載體而呈現(xiàn)。

上文借助對(duì)程序的解析，完整地闡述了外板自動(dòng)展開技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速展開的目標(biāo)。該技術(shù)經(jīng)若干舊船型試應(yīng)用和實(shí)船項(xiàng)目正式應(yīng)用，其可靠性得到了有效驗(yàn)證。在具備完整FL的前提下，進(jìn)行項(xiàng)目的必要配置和型線編號(hào)可在30 min內(nèi)完成，而其后的外板展開過程只需約1 min便可完成。相比于傳統(tǒng)的手工展開，外板自動(dòng)展開不但在效率上呈數(shù)量級(jí)