基于S-H剪裁算法的船舶受風面積計算

張建寶+周億迎

摘 要：為提高計算精度，提出一種基于S-H多邊形剪裁算法的船舶受風面積計算方法。依據船舶設計部門提供的船舶受風面積輪廓多邊形，采用S-H算法實時和水線面求交計算，得到水線面上和水線面下的多邊形，然后采用格林公式計算任意吃水及吃水差下的受風面積及風傾力臂。本文以“太行128”散貨船為例，實驗表明：相比于傳統基于裝載手冊線性插值的方法，提高了計算精度，彌補了傳統方法只能計算船舶平吃水下受風面積的不足，且通用性好，具有一定的工程實用價值。

關鍵詞：船舶工程 受風面積 S-H剪裁算法 船舶穩性

1.引言

船舶受風面積曲線在船舶穩性校核時起著非常重要的作用，船舶受風面積曲線一般由船舶設計部門計算出來，以表格或者曲線形式存儲在船舶裝載手冊中。在進行穩性校核時通常是基于裝載手冊通過線性插值的方法查取受風面積相關參數，但是這種方法存在著以下不足：

（1）船舶裝載手冊只給出部分吃水的計算值，當吃水超出了裝載手冊給定范圍，會導致一定的誤差。

（2）船舶裝載手冊只給出船舶平吃水的受風面積值，但是船舶在實際營運中往往存在一定的吃水差，會導致一定的誤差。

（3）當裝載手冊中給出的受風面積表格吃水步長較大時，用線性插值值代替實際值會存在一定誤差。

本文提出一種不基于裝載手冊的受風面積計算方法，根據船舶部門提供的船舶受風面積輪廓多邊形，采用計算機圖形學中的S-H剪裁算法計算船舶任意吃水差下的受風面積參數，通用性好、計算精度高，彌補了上文所述的不足。

2.S-H剪裁算法

S-H（Sutherland-Hodgman）算法也叫逐邊裁剪法，該算法是薩瑟蘭德（I.E.Sutherland）和霍德曼（Hodgman）在1974年提出的。這種算法采用了分割處理、逐邊裁剪的方法，是一種剪裁凸多邊形區的高效算法。這一方法的總體策略是順序的將每一多邊形的一對頂點送給一組裁剪器（左、右、下、上）。一個裁剪器完成對一對頂點的處理后，該邊留下的坐標值立即送給下一個剪裁器，最終輸出的是一個完整的多邊形填充區邊界的頂點隊列。

在用裁剪邊界對多邊形的邊裁剪時有四種情況需要考慮：（1）多邊形邊的第一端點在裁剪邊界外部而第二端點在內部；（2）兩個端點都在剪裁邊界內部；（3）第一端點在邊界內部而第二端點在邊界外部；（4）兩個端點都在裁減邊界外部。這四種情況的輸出點情況如圖1所示。

船舶受風面積的輪廓可由船舶設計部門提供，一般多為AutoCAD格式，通過AutoCAD自帶的函數可導出輪廓的多邊形點列。

本文編寫VC++程序，對S-H剪裁算法進行了驗證。圖2所示為“太行128”在任意吃水差下的船舶受風面積輪廓與水線面的相交情況，實驗結果表明S-H剪裁算法通用性好，適用于任何船舶任意吃水差情況，包括雙體船、三體船等特殊結構船舶。

4.算例

本文以散貨船“太行12 8”及“SPRING COSMOS”為例，計算船舶各個吃水下的受風面積曲線，如圖4所示。表1、表2為“太行128”受風面積及風傾力臂計算結果及相對誤差。

從上述數據中可以看出采用本文方法的計算值和裝載手冊給定值相比相對誤差較小，“太行128”的最大相對誤差為0.045%。

5.結語

本文探討了一種基于S-H剪裁算法的船舶受風面積計算方法，可得到如下結論：基于船舶面積輪廓和S-H剪裁算法適用于船舶任意吃水差，彌補了常規方法只能計算船舶正浮狀態下的不足，提高了計算精度。文中的方法已經成功應用在自主研發的散貨船裝載計算機系統中，計算精度高，通用性好，具有一定的工程實用價值，其同樣也可用于船舶設計軟件的開發。

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