全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器位置船體結(jié)構(gòu)的三維精確建模研究

趙錦榮 盧園園

摘要：為了保證作業(yè)要求，海工船舶通常都配備DP動(dòng)力定位系統(tǒng)，并會(huì)優(yōu)先選用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，而該位置的船體結(jié)構(gòu)和線型都比較復(fù)雜，精確建模難度很大。本文以“海洋石油286”為實(shí)例，開展全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器位置船體結(jié)構(gòu)的三維精確建模的研究，獲得了一套三維建模及數(shù)字放樣解決方案，為相似結(jié)構(gòu)建模提供參考，達(dá)到快速準(zhǔn)確建模的目的。

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器；SPD；曲面結(jié)構(gòu)精確建模；雙斜

中圖分類號：U664.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Modeling exactly for hull structure in azimuth thruster space

ZHAO Jinrong, LU Yuanyuan

( CSSC Huangpu Wenchong Shipyard Company Limited, Guangzhou 510715 )

Abstract: DP system usually to be equipped for Offshore Construction Vessel for operation, ship with DP system always equipped with azimuth thruster. But hull structure and lines for this space is very complicated, so it`s very difficult to modeling exactly. This paper take “Hai Yang Shi You 286” for example, attained one method for modeling exactly, this method can be applied to similar hull structures.

Key words: azimuth thruster; SPD;modeling exactly for curved structure; both transverse and longitudinal structure have inclination

1前言

海工類船舶為了獲得優(yōu)秀的船舶操縱性能，以及滿足各DP等級的要求，一般會(huì)采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、側(cè)推進(jìn)器等裝置。這些設(shè)備體積較大，而且定位較特殊。其中以全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器裝置為例，通常會(huì)采用雙斜筒體的布置形式，以滿足性能和布置的要求，這種形式給設(shè)備的安裝定位及結(jié)構(gòu)建模帶來了一定的難度。

公司在建的“海洋石油286”，主推為全回轉(zhuǎn)式推進(jìn)器，它的基座結(jié)構(gòu)為焊接連接的圓筒形式，安裝定位時(shí)在橫向和縱向均有傾角，并且圓筒周圍附著有定位較為復(fù)雜的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。分析此區(qū)域結(jié)構(gòu)我們發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用SPD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)精確建模的關(guān)鍵，在于是否能夠準(zhǔn)確獲得雙斜結(jié)構(gòu)的定位數(shù)據(jù)。

圓筒曲面上的定位數(shù)據(jù)通常難以簡單快速獲得，導(dǎo)致在快速建模時(shí)缺少必要的定位數(shù)據(jù)，曲面上附著的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)建模更是無法進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)的做法是省略定位數(shù)據(jù)的求解，采用簡易的方法解決：用平面作圖法表達(dá)較為復(fù)雜的曲面和定位在曲面上或斜平面上的結(jié)構(gòu)，并給出大致的定位后，交予數(shù)放階段進(jìn)行手工放樣，最后現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際定位拉線數(shù)據(jù)安裝到位。這種方法會(huì)造成結(jié)構(gòu)形式表述不清，無法給其他專業(yè)提供準(zhǔn)確的放樣依據(jù)，同時(shí)也給數(shù)放以及現(xiàn)場施工作業(yè)增加了難度。為了解決這一難題，本課題通過“海洋石油286”的實(shí)際建模研究，結(jié)合幾何求解計(jì)算，得出了一套快捷準(zhǔn)確的筒體結(jié)構(gòu)建模方法。

2結(jié)構(gòu)建模難點(diǎn)分析

以“海洋石油286”為例，根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的尾部結(jié)構(gòu)圖及設(shè)備資料，推進(jìn)器基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式為：圓柱形筒體、筒體上端電機(jī)平臺及平臺下加強(qiáng)肘板、法蘭面處的平臺及加強(qiáng)圈、筒體底部肘板，如圖1所示。

（1）圓柱筒體，是一個(gè)沿船長、船寬方向均有傾斜角度的圓柱形結(jié)構(gòu)，即中心軸線雙斜的圓柱。

（2）垂直于筒體中心軸線的斜平面結(jié)構(gòu)，如圖1中E-E剖面圖以及F-F、G-G、H-H、J-J所示剖面位置。

（3）筒體周圍的肘板結(jié)構(gòu)，如E-E剖面所示。筒體上端電機(jī)平臺下，按照一定的圓心角，布置有垂直于斜平面的肘板加強(qiáng)。

可見，建模所需解決的難點(diǎn)有：①雙斜圓柱的中心軸線的確定；②截交圓柱斜平面的定位；③肘板的定位。

3定位數(shù)據(jù)的求取方法

3.1雙斜圓柱的中心軸線的確定

簡化模型，將中心軸線置于任意三維空間內(nèi)，可以得到圖2所示形式。根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線的方法，確定A、B兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)即可確定軸線。

圖2中心軸線置于任意三維空間內(nèi)得到的形式

根據(jù)設(shè)備資料，已知點(diǎn)A坐標(biāo)（X1，Y1，Z1），軸線沿船長方向傾斜角為α，沿船寬方向傾斜角為β，圓柱的直徑為 D，A、B兩點(diǎn)距離為a，求B點(diǎn)（X2，Y2，Z2）。

當(dāng)a值確定時(shí)，根據(jù)圖2可得：

ΔX2+ΔY2+ΔZ2=a2

ΔX==ΔZ2·tan a

ΔY==ΔZ2·tan β

其中：ΔX、ΔY、ΔZ為點(diǎn)B與點(diǎn)A的相對坐標(biāo)值。

求解上述方程得：

（1）

由A （X1，Y1，Z1）、B（X2，Y2，Z2） 兩點(diǎn)坐標(biāo)，即可確定雙斜圓柱的中心軸線。

3.2截交圓柱斜平面的定位

根據(jù)任意三點(diǎn)確定一平面原理，為了得到截交圓柱且垂直于中心軸線的斜平面，必須求得斜面上另外兩點(diǎn)M1（X3，Y3，Z3）、M2（X4，Y4，Z4）的坐標(biāo)。為了方便計(jì)算，取點(diǎn)M1為斜平面在XOZ平面上的點(diǎn)，取 點(diǎn)M2為斜平面在YOZ平面上的點(diǎn)。

圖3m1·m2為任意值

根據(jù)圖3，計(jì)算求得：

M1坐標(biāo)：（2）

M2坐標(biāo)：（3）

由B、M1、M2三點(diǎn)坐標(biāo)，即可確定軸線上B點(diǎn)對應(yīng)的斜平面。

由于點(diǎn)B可為圓柱中心軸線上任意一點(diǎn)，我們可以根據(jù)以上的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，確定過圓柱軸線任意點(diǎn)，且垂直于軸線的斜平面。

3.3肘板的定位

如圖4，將E-E剖面平放于水平面上，即可得到肘板的定位數(shù)據(jù)。提取其中一個(gè)肘板定位，簡化模型可得到面oco0，即為肘板所在的平面。平面與E-E斜平面垂直，其中θ為肘板所在斜平面的圓心角，點(diǎn)O（X5，Y5，Z5）、O0（X6，Y6，Z6）為圓柱中心軸線上的兩點(diǎn)（O、O0兩點(diǎn)與B點(diǎn)計(jì)算方法相同，以下不贅述），點(diǎn)C（X7，Y7，Z7）在圓柱上。

C點(diǎn)計(jì)算公式如下：

（4）

由O、C 、 O0三點(diǎn)坐標(biāo)，即可確定肘板平面。

將以上的計(jì)算公式編入Excel表格中，設(shè)計(jì)人員只要輸入已知數(shù)據(jù)，即可快速得到所需定位數(shù)據(jù)。以“海洋石油286”為例,編制計(jì)算表格，見表1。

4SPD結(jié)構(gòu)建模

現(xiàn)以“海洋石油286”為例，進(jìn)行SPD尾部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器筒體結(jié)構(gòu)建模。

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙及設(shè)備資料，已知圓柱筒體軸線上的一個(gè)定位點(diǎn)A坐標(biāo)為（FR7，9100，2353），定位基點(diǎn)位于筒體下方，筒體上方向船首方向偏轉(zhuǎn)2o，向船舯方向傾斜5o，圓柱內(nèi)徑3 100 mm。

4.1SPD筒體結(jié)構(gòu)建模步驟

（1）建立曲面，利用軟件的直紋面模塊定義圓柱面

將圖1中E-E剖面設(shè)為圓柱面的基準(zhǔn)平面，由設(shè)備資料可知，E-E平面圓心與A點(diǎn)的距離為a=6 079，將已知條件輸入到表1中，可得基準(zhǔn)平面截交圓柱的圓心坐標(biāo)，將其作為P1點(diǎn)，同時(shí)也可得到基準(zhǔn)平面的其他兩點(diǎn)坐標(biāo)，作為P2、P3點(diǎn)。

輸入準(zhǔn)線圓心（u，v）=（0,0），其中u值和v值表示準(zhǔn)線平面中P1點(diǎn)與準(zhǔn)線圓心的相對距離，半徑D/2=1550。根據(jù)圓柱曲面的大致范圍，設(shè)置曲面范圍，其中柱面底部高度和頂部高度為基準(zhǔn)平面向上拉伸和向下拉伸的長度，設(shè)置的范圍一般稍大于實(shí)際值。

（2）設(shè)置曲面板縫

SPD中的曲面結(jié)構(gòu)建模是利用“曲面板縫”的“端縫”和“柱縫”切割“曲面”，得到一個(gè)封閉范圍，然后設(shè)置此封閉范圍的板厚值，最終得到曲面板。分析結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)，此筒體上端面為正圓，下端面是圓柱與舵踵曲面相交的橢圓。

利用“平面截交線”中“三點(diǎn)”定義截交圓柱曲面的平面，得到筒體的上端縫；利用“兩曲面的交線”定義筒體的下端縫。利用“主平面”定義其他兩條柱縫。

（3）定義曲面板

在曲面板定義中，獲取上述“端縫”和“柱縫”板縫，輸入板厚，即可得到圓柱筒體結(jié)構(gòu)。

4.2斜板架建模

在圖1中，E-E、F-F、G-G、H-H、J-J剖面，以及E-E剖面下的肘板結(jié)構(gòu)均為斜板架。將剖面的位置信息輸入到表1中，即可得到定義斜平面所需的三點(diǎn)坐標(biāo)。然后利用“平面板架”的“定位面”屬性，將三點(diǎn)坐標(biāo)輸入至“三點(diǎn)定位斜平面”中，即可得到所求斜平面。實(shí)際模型見圖5。

圖5實(shí)際模型

5SPD結(jié)構(gòu)放樣

結(jié)構(gòu)建模完成后，利用軟件的“零件展開”功能，即可得到曲面、斜平面結(jié)構(gòu)放樣數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以查看零件展開后準(zhǔn)確的形狀與尺寸，見圖6。

圖6曲面及斜平面展開后的形狀及尺寸

6結(jié)束語

通過對全回轉(zhuǎn)舵槳圓筒形基座的SPD建模方法的研究，解決了雙斜圓柱筒體的定位，以及周圍加強(qiáng)結(jié)構(gòu)精確建模的問題，高效地完成了結(jié)構(gòu)建模及出圖任務(wù)。該方案具有普遍適用性，可應(yīng)用于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、帶角度的側(cè)推筒體等具有大型筒體的結(jié)構(gòu)建模。

參考文獻(xiàn)

[1] 同濟(jì)大學(xué). 高等數(shù)學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社. 2001.

[2] 宋衛(wèi)東. 解析幾何[M]. 北京: 高等教育出版社. 2003.

作者簡介：趙錦榮（1981-），男，工程師。主要從事船體設(shè)計(jì)工作。

盧園園（1982-），女，工程師。主要從事船體設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2014-01-09