NAPA船體型線設計

吳兵樣　陳固軍　彭立立

摘 要：文章介紹了某海洋測量船利用NAPA軟件進行船體型線設計的過程，并概略介紹了船體型線建模、型線光順的流程。該軟件的應用過程可對廣大同類船舶研究設計人員起一定的參考作用。

關鍵詞：NAPA；船體型線建模；測量船；型線光順

中圖分類號：U662.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0009-02

1 概 述

船體型線設計（即船體設計建模與型線光順）是船舶建造基本設計中一項很重要的設計工作，決定了一艘船舶的外形，也決定了該船舶的大部分主要性能。

因此，一個良好的型線設計是一艘船舶船體設計、性能計算的重要基礎，其重要性顯而易見。

利用NAPA軟件進行相關的船體型線設計是當今船舶行業比較主流的做法。

NAPA是英文Naval Architecture Package簡稱，是芬蘭NAPA公司于1990年開始研究開發的一款船體結構設計、船舶有限元建模、強度分析的船舶總體性能計算軟件。

由于NAPA公司最近20多年對軟件不斷更新、開發、推廣以及軟件自身的可操作性、準確性，NAPA目前在世界范圍內擁有越來越多的使用者，并有越來越多的三維工程設計公司與其建立成合作伙伴關系，例如美國鷹圖公司（Intergraph）就與其合作，將NAPA軟件設計導出的船體型線基本設計成果作為其詳細設計、生產設計軟件Smart Marine 3D的基礎文件加以利用。

本文介紹了某海洋測量船利用NAPA軟件進行船體型線設計的過程。

2 船體型線設計

船體型線設計是船體后續結構設計、性能計算、模型試驗、艙室布置和放樣建造的依據。因此，設計人員應對型線設計給予極大重視，以下是利用NAPA軟件進行船體型線設計的主要過程。

2.1 船舶主尺度定義

該測量船入ABS級。

船舶的主要尺度如下：

總長：227.6 m

垂線間長：217.4 m

船寬：36.4 m

設計吃水：10 m

肋骨間距：0.7 m

用戶進入NAPA程序后，程序會首先提示用戶需要建立一個新的船舶工程項目，故用戶應在相應位置輸入該測量船的主尺度數值以及肋骨間距數值，如圖1所示。

2.2 曲線定義

船體的外殼表面是一個具有不規則形狀且表面光順的曲面，該曲面的是靠一系列的曲線定義構成的，相應的這些曲線又是靠一系列的點定義的。

NAPA中曲線的定義格式為：

CUR NAME ‘Optional explanation text

Location surface

Definition points

[Side condition]

一些特殊的船體要素曲線如平邊線、平底線、尾封板線等不僅需要點的定義信息，還需要包括一些特定的曲線邊界信息。曲線邊界信息指的是該曲線周邊的曲面形狀信息，在NAPA中，其定義格式如下：

SC P：表示船體平面邊界的限制曲線。

SC M：表示船中部分邊界的限制曲線。

SC -//-：表示船折角區域邊界的限制曲線。

對于該測量船來說，需首先定義其船艏艉中縱剖線、最大橫剖面線、平邊線、平底線、尾封板線、折角線，接著定義其主要橫剖面線以及其他輔助線段。

2.3 船體曲面生成

NAPA中曲面的定義格式為：

SUR NAME ‘Optional explanation text

THR Curve01 curve02 curve03 …

[OUT x， y or z]

在沒有定義生成曲面外側的方向的情況下，NAPA默認將Y軸正方向作為曲面外側方向，這與傳統船體曲面外側定義方向一致，但對于雙體船則需用戶通過OUT 命令行自己定義好正確的曲面外軸方向。

由于船舶艏部艉部之間的曲面曲率一般變化相對較大，故將該測量船船體曲面分成三部分：船艏部分（HULLF）、船中部分（HULLM）與船艉部分（HULLA）。這樣分配的好處可以同時安排多名設計人員一起參與設計該船的型線設計工作，提高效率，又可以使船艏曲面、船艉曲面分開處理，降低工作難度。帶船艏曲面、船中曲面與船艉曲面生成好后，再通過以下定義格式將其合并為一個總船體曲面：

SUR HULL

COM HULLF HULLM HULLA

船體曲面生成好后，需對曲面做準備（PREP NAME）并更新（UPDATE NAME）操作，這樣才能進行后續結構計算、總體性能等工作。

另外，船舶結構中一些比較規則的幾何形狀的結構，如甲板面、槽型艙壁等，也可以通過NAPA的特殊曲面生成命令較快捷地生成出來。

3 船體型線光順

NAPA的船體型線光順工作主要在Hull Surface Editor模塊中完成，該測量船HULLF部分如圖2所示。

3.1 PATCH曲面的生成原則

同大多數傳統的型線光順軟件原理一樣，NAPA生成的船體曲面也PATCH曲面組成的，PATCH曲面的生成有以下幾點原則：

①PATCH曲面只能定義為2邊、3邊及4邊。

②PATCH曲面不能跨越邊界線、折角線。

③PATCH曲面形狀與其邊界點及各個邊界點沿邊界及曲面的角度等曲面參數有關。

NAPA于2009年1月份開始，在PATCH曲面生成船體曲面的基礎上，開發了使用NURBS曲面生成船體曲面的方法，首次引用了邊界曲線Boundary（BND）Curves，主曲線Primary （PRI） Curves及次曲線Secondary（SND）Curves的定義，將生成曲面的曲線分成以上三類，使不同曲線在生成船體曲面進程中的作用更加清晰，NURBS曲面的定義格式為：

SUR HULLF ‘Optional explanation textP

THR FRF FBF CLF FSF WLF STEM KNF FR12 WLF FR13…

BND FRB KNF STEM WLF FR13 FSF FRF CLF FBF FR19

PO BTOL=0.005 KTOL=2 K2TOL=2 ETOL=0.01 ERED=20 TTOL=0.00888 NTOL=1 TSC=0 WSC=0 G=2 IMAX=4

其中，命令PO是NURBS曲面準備參數，例如，BTOL表示曲面邊界控制點公差系數，用戶可以通過調整準備參數，嘗試生成不同的生成方案，最終達到生成比較良好的曲面結果。另外，在合并船艏曲面、船中曲面與船艉曲面時，應確保生成的NURBS曲面準備參數保持一致。

3.2 NURBS曲面生成曲面的優點

與傳統的PATCH曲面生成的船體曲面相比，NURBS曲面生成的曲面有以下幾個優點：

①NURBS曲面可以定義比傳統PATCH曲面更大的船體曲面。

②相鄰邊界的NURBS曲面自動具有相同的曲面參數，如連續的邊界曲面角度。

③最小化的NURBS曲面控制點的數目。

④更加靈活的網格定義方式，如能將橫剖線、縱剖線、水線與對角線一起混合處理，能方便地將較大數量的曲線生成船體曲面等。

⑤用戶可定義曲面準備參數，并直觀地在Hull Surface Editor檢測效果。

Hull Surface Editor在檢驗生成的船體曲面是否足夠光順并且符合設計要求方面，也提供了生成船體曲面的相關數據及圖像信息，供用戶參考判斷，如生成曲面與定義曲線之間最大間距表格，該測量船的間距表格如圖3所示，繪制出曲面傾斜曲線圖、曲面曲率分布圖，該測量船艏部曲率分布圖如圖4所示等。

4 結 語

船體型線設計是船體總體設計的關鍵內容之一，船體型線的好壞對船舶的技術性能和經濟性有很重大的影響。船體型線光順的過程是船舶設計工作中一個很有挑戰、很需要時間的工作，所以作為船體型線設計人員應該具備細心、耐心及高度的責任心，戒驕戒躁，把握好這一關。

參考文獻：

[1] 陳悅，謝云平.NAPA軟件在油船總體設計中應用[J].江蘇船舶，2008，（3）.

[2] 方學智，劉厚森，劉增榮.船舶設計原理[M].武漢：華中科技大學出版社，1998.