基于參數(shù)化船模的靜水力計算

李日杰，吳方良，劉明靜

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064)

0 引言

三維設(shè)計由于突破了平面和二維設(shè)計模式的限制，對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)達國家十分重視三維設(shè)計、建造一體化研究開發(fā)工作，并已經(jīng)運用于實船的設(shè)計與建造，英國VESEL公司、韓國現(xiàn)代船廠及美國電船公司等已經(jīng)實現(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。目前國內(nèi)船舶三維設(shè)計正處于起步階段，與國際先進水平還有較大差距，靜力性能計算仍以二維設(shè)計和人工計算為主，基于三維模型開展的靜力性能計算應(yīng)用很少，尚無完整的軟件平臺系統(tǒng)和計算方法。

靜水力曲線是船舶正浮時的浮性、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，開展基于Catia軟件平臺的三維模型靜水力計算，實現(xiàn)計算的自動化和程序化，并能保證結(jié)果精度，以提高設(shè)計手段，改進計算方法。

1 計算流程

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

根據(jù)船舶外形三維設(shè)計的流程，使用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和驅(qū)動技術(shù)，使得基于三維模型的性能分析過程數(shù)據(jù)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，大大減少了設(shè)計階段數(shù)據(jù)頻繁更改所帶來的重復(fù)工作，解決數(shù)據(jù)孤島和精確三維建模在設(shè)計中帶來的瓶頸問題［5］。

船舶外形設(shè)計過程中需要進行大量的設(shè)計協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)通過在Catia中直接建模，既保證了設(shè)計、分析數(shù)據(jù)的同源性，同時生成的模型可以發(fā)布到下一個設(shè)計階段進行細化設(shè)計，保證了設(shè)計數(shù)據(jù)的連續(xù)性，計算流程如圖1所示。

圖1 計算流程Fig.1 The calculation flow

2 計算模型

2.1 型線設(shè)計

船舶型線設(shè)計，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)計和曲線光順設(shè)計要求，通過局部修改或相似變換進行逐步光順逼近，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)以達到滿意的船型。

對于水滴型潛艇模型的輪廓線，無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)進行描述。

式(1)在實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翼型、轎車型、臺階型和混合型等多種形式，其中機翼型指揮室圍殼的水平剖面和橫剖面均為對稱的流線型機翼剖面，這種形式具有良好的阻力性能，結(jié)構(gòu)簡單，工藝方便，在世界各國潛艇普遍采用［7］。在設(shè)計中以底端為基準剖面，其他水線高度處的水線面形狀以基準剖面為基礎(chǔ)結(jié)合舷長經(jīng)仿形變換計算求得，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)，通過參數(shù)控制可以獲取滿足設(shè)計要求的艇體形狀。

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)的實體模型，再通過裝配設(shè)計最終實現(xiàn)三維參數(shù)化設(shè)計，從而得到潛艇三維模型，如圖5和圖6所示。

2.3 靜水力計算

傳統(tǒng)的船舶靜水力計算思路是:沿船舶縱向方向選取多個不同的橫剖面，按幾何公式計算出船體的橫剖面要素，從船體尾端點向首端點縱向積分，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行綜合計算便可得到船舶的靜水力曲線。顯然，計算結(jié)果的精度受橫剖面?zhèn)€數(shù)的影響，橫剖面選取越密，計算精度就越高，此計算方法在工程中得到廣泛應(yīng)用和有效驗證。

通過對Catia進行二次開發(fā)，生成Automation函數(shù)庫，構(gòu)建基于三維模型的計算功能模塊，并對模塊進行封裝搭建靜力性能計算平臺框架和系統(tǒng)，使設(shè)計者能直接在計算界面中操作。計算模板是對設(shè)計、建模、分析過程中涉及的知識、經(jīng)驗和軟件操作進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交互界面，減少設(shè)計人員在設(shè)計、分析過程中的各種重復(fù)性勞動，大大降低了軟件使用門檻并將工作過程標準化，并能通過設(shè)計流程進行關(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，再對計算公式實現(xiàn)程序計算，完成容積矩、浮心、每厘米吃水噸數(shù)、穩(wěn)性半徑等要素。該計算最終可以獲取模型在不同吃水T時的靜水力曲線要素，包括排水容積V、浮心縱向坐標xB、浮心垂向坐標zB、漂心縱向坐標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，計算界面如圖7所示。

圖7 計算界面Fig.7 The calculation interface

3 結(jié)果分析

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

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

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

表2 計算結(jié)果對比Tab.2 The contrast of calculation

4 結(jié)語

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，通過對Catia軟件進行二次開發(fā)，將三維設(shè)計和靜水力計算有效集成，提出了基于船舶三維參數(shù)化建模的靜水力計算方法，可以直接計算和獲取其靜水力要素。與傳統(tǒng)的二維積分計算相比，此計算方法工作量得以降低，計算界面清晰直觀，過程大為簡化，結(jié)果準確可靠，可以有效的預(yù)報和分析船舶靜力船舶性能要素，具有較強的實用性，對于船舶總體設(shè)計和性能計算具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］童秉樞.現(xiàn)代CAD技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

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［6］沈國鑒.潛艇設(shè)計原理［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1988.

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