CATIA二次開發實現全墊升氣墊船性能計算結果的可視化

張宗科 徐圣杰

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船屬于高性能船，對質量要求極為嚴苛。由于全墊升氣墊船主要運行模式為墊升狀態，船體浮箱被氣墊托離于運行表面之上，所承受載荷小，為控制質量，浮箱往往采用單層底結構，為薄鋁板焊接或鉚接而成［1-2］。氣墊登陸艇屬于全墊升氣墊船，需登陸越障受損概率大，為保障足夠的破艙穩性，船體浮箱被劃分為多個水密分艙，如美國正在研制中的新一代氣墊登陸艇SSC浮箱長24.5 m×寬13.3 m×高1.42 m，劃分為近百個艙室［3-4］。通過在CATIA中進行二次開發，三維直觀顯示破艙計算結果及其對墊升姿態的影響等，并可直觀指定破艙位置及數量，查看破損進水的后果及影響，以及實船破艙狀態下的輔助應急處理。船越出阻力峰墊態航行時，阻尼小，在風浪作用下，存在側滑角，此時斜航狀態下的高壓氣墊興波較復雜，造成的側向力、搖首力矩等會影響船的姿態［5］。編程實現了興波波形及圍裙下部手指觸水情況的可視化，便于求取斜航時興波對阻力、側向力、搖首力矩以及船墊態縱、橫傾角的影響。氣墊船在波浪中航行時，高壓充氣圍裙內部不同位置處的囊壓、墊壓變動較大，可實現測得壓力的空間分布及時歷變化情況的可視化。

1 破艙穩性計算結果的可視化

1.1 船體浮箱艙室劃分眾多

美國正在研制替代LCAC的新一代氣墊登陸艇——SSC（Ship-to-shore Connector），目前首制艇正在進行海試，計劃于2020年形成初始戰斗力（IOC）。除作為試驗艇的首制艇（LCAC-100）外，美國海軍首批次訂購了8艘（LCAC-101～LCAC108），隨著SSC首制艇（舷號LCAC-100）于2018年4月10日開始的水上試驗順利進行，美國海軍4月13日與Textron公司簽訂790萬美元合同以訂購LCAC 109～112號艇的長線材料。SSC的船體浮箱劃分為94個，其中66個艙室需貫穿電纜，見表1與下頁圖1。

圖1 美國SSC船體浮箱透視圖及浮箱艙室劃分

LCAC的船體浮箱設有3道縱艙壁及各肋位對應的橫艙壁，劃分為多個水密艙室，采用反造方法制造船體浮箱，建好后整體翻轉，再插接安裝駕駛艙、登陸兵艙、主機艙、墊升風機、導管空氣螺旋槳等上層建筑艙室與設備。由圖2可見LCAC浮箱艙室眾多。

圖2 美國LCAC船體浮箱結構形式、底朝天反造及其整體翻轉

1.2 破艙穩性要求

正是由于氣墊登陸艇船體浮箱為單層底，且需登陸越障等，受損概率大，美LCAC提出較常規排水型船更為嚴格的破艙穩性要求，即：縱向占剛性船長10%的船體破損，橫向從舷側破至靠近船體中心線縱艙壁；或縱向占15%剛性船長的船體破損，橫向從舷側破至20%剛性船寬，在不對稱進水時保持不沉。

1.3 浮箱在CATIA中建模及艙室自動劃分

利用圖1中SSC艙室劃分圖及圖3的典型橫剖面圖，可提取出SSC船體浮箱三維建模所需的信息。利用CATIA中的二次開發，利用提取出的信息，實現基于二維圖紙的快速建模。

圖3 美國SSC典型橫剖面圖

有了船體浮箱外殼3D模型，利用3道縱向水密艙壁、各肋位處的橫向艙壁作為艙室剖分參考平面，基于CATIA.ActiveDocument.Part.HybridShapeFactory.AddNewHybridSplit（objToSplit，objBySplit， catPositiveSide）可自動剖切得到各水密艙室的6個包圍界面，再融合成艙室的外殼，然后利用CATIA中的封閉曲面（ClosedSurface）函數，獲得艙室對應的幾何體。如SSC各水密艙室的劃分效果見圖4右側。需要說明的是，利用 AddNewHybridSplit（objToSplit，objBySplit1，catPositiveSide）函數時，必須注意被切除的objToSplit與剪切參考物objBySplit相互之間的曲面法線之間的夾角關系，可通過參數catPositiveSide來調整objToSplit修剪后保留下來的部分。

圖4 美國SSC船體浮箱CATIA中3D外殼模型（兩側開孔處為墊升風機氣道）以及艙室分隔參考面

為方便對艙室的自動劃分，依據各艙室的6個包圍界面與浮箱外殼交匯次數，將整個浮箱區域劃分為5類區域，如圖5中不同顏色所示（風機風道開口區域除外）。同時，為便于后續處理，每個艙室形成的幾何體置于單獨的幾何體集合內，并在產品結構樹中將艙室所在的幾何體名稱改為對應唯一編號以便程序中自動定位調用，如肋位號_距中縱面第幾個艙室（左舷編號為奇數、右舷編號為偶數），RibNo_iTank。

圖5 美國SSC船體浮箱艙室區域劃分及分隔效果

1.4 破艙穩性計算結果可視化

有了船體浮箱的3D模型及水密艙室劃分，就可利用破艙穩性計算得到的船縱、橫傾角，得到各艙室處于水線面之下的部分。為便于操作，將破艙后船中心處對應的水線面（以中心點對應的基線面上的點垂直向上平移吃水值為坐標原點構建基準水平面）作為參考表面，其構建方法如下：利用破艙后的首吃水Tf、尾吃水Ta來構建X軸，以其中心點向左舷偏移一定距離構建線段OY，將OY繞X軸旋轉橫傾角度φ得到Y軸，最后由X軸、Y軸得到破艙后的當量水線面。

利用此當量水線面切割各艙室，再由CATIA中的“Measure Inertia”功能得到各破損進水艙室的初始進水體積，乘以相應的艙室進水滲透率，可獲得破損艙室的進水質量，從而可對破艙穩性計算的進水質量作校核。同時，由船體浮箱位于當量水線面之下的體積（排水量），應等于破損艙室的進水量加上初始排水量之和。通過實際顯示單個破損艙室的進水狀態，可判斷該艙室內設備的淹水程度，內部設備是否處于可用狀態等。利用CATIA內設立的3個用戶參數變量（Tf、Ta、φ），對于不同的破損狀態，只需變化這3個關鍵參數，可快速獲得相應的破損艙室進水情況。

為方便顯示破損進水艙室的位置范圍，將破艙標識為不同于浮箱整體背景色的顯著顏色，如紅Red、黃Yellow、綠Green、青Cyan、藍Blue、洋紅Magenta、黑Black。具體實施過程如下：依據某一破損狀態下破艙在該狀態下的內部編號，依次設置為以上七種顏色中的一種。基于狀態內部編號，利用mod函數，實現上述顯著顏色組合的循環。將當前破損艙室加入當前選擇SelectionI，由SelectionI.VisProperties.SetRealColor（iRed， iGreen，iBlue， 1!）函數來設置破艙顏色。對該狀態下的破艙數進行循環，可得到進水總量、進水重心位置、當前狀態船當量排水量，以便于破艙專用程序計算結果加以比較。CATIA中氣墊船破艙進水情況顯示及校核的流程框圖可參見下頁圖7。

如圖6所示，船的姿態及艙室破損進水情況可一目了然，也便于從不同角度旋轉觀察。需要說明的是CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench（“SPAWorkbench”）. Inertias.Add（objProduct） 來獲得objProduct的質量與質心坐標信息，只能通過CATScript程序來獲得。

圖6 氣墊船典型破艙示意圖（不同顏色代表不同破損艙室）

1.5 破艙進水對船姿態影響的快速評估

全墊升氣墊船的船體浮箱結構相對薄弱，在登灘越障及風浪中進出母艦塢艙時，容易受損破壞。沖灘越障過程中船體浮箱受損后，處于水上浮態排水狀態時，船體會因破艙進水而傾斜。但氣墊船設有圍裙氣墊系統，可在非墊升的浮態排水狀態與墊升狀態兩種不同模式下運行。在墊升狀態下，船體浮箱被高壓氣墊托高懸浮在運行表面之上，浮箱破損處不會再進水。因此，估算浮箱破損孔洞位置以及進水量與進水時間的關系顯得較為重要，短時間內的進水量及其對船墊升狀態下姿態角影響的估算，可為船破損后能否快速由浮態轉換為墊態安全航行提供依據。同時也可利用氣墊船裝備的燃油調駁系統通過調油來將船在墊升狀態下壓平提供參考。此外，這時可根據破損艙室的進水量與位置確定其對船體產生的縱、橫傾力矩，然后由氣墊船的縱向、橫向墊態穩性估算出墊態航行時的最大縱、橫傾角，由此判別船的墊態航行安全性。

圖7 CATIA中氣墊船破艙顯示及校核的流程框圖

由于氣墊船在排水狀態與墊升狀態下的穩性差別巨大，排水狀態下每度縱/橫傾所需力矩為墊升狀態下每度縱/橫傾所需力矩的4倍左右，因而破艙進水對墊態航行影響顯著。由于氣墊船單側墊升時產生的瞬時最大橫傾角接近10°，于是可利用單側墊升使破艙內的進水排出去一些兒，減少其對墊態航行姿態的影響。另一方面，參見下頁圖8，船體浮箱側部周邊下部包覆有圍裙，船在水中時，不易觀測破損孔洞位置及形狀，可利用船墊升后的縱、橫傾角值與正常無破損狀態下的值作比較，大體判斷破艙位置及進水量。氣墊船的船體浮箱結構易破損進水，由于墊態航行的關系，每次進水量短期內可能不明顯，同時存在可變載荷（人員、油水、運輸裝備等）變動大等因素。因此，需要較準確地掌握氣墊船的空船質量及重心位置，如美國LCAC每年必須進行空船稱重，并將結果記在上層建筑的銘牌內，以便隨時參考使用。

圖8 氣墊船船體浮箱的典型破損孔洞位置示意（圖中圓圈所在位置）

2 興波計算結果在CATIA中的可視化

全墊升氣墊船設有獨特的圍裙氣墊系統，在墊升狀態下，高壓氣流會使船底下方水面凹陷，隨著航速增大，氣墊興波波形隨之發生變化。在圍裙下部手指末端對已的興波波面高度不同，會產生氣墊興波阻力、側向力、搖首力矩，引起船縱傾角、橫傾角的變化。

2.1 興波計算方法說明

目前用于氣墊興波計算的方法主要有兩種：一是HUANG T T與WONG K K［6］發展的Newman& Poole［7］興波計算方法，二是 CUMMINGS D，YEUNG R等人［8］為美國LCAC的母型船JEFF B六自由度數學模型開發的基于Kernel函數的氣墊興波實時計算方法。氣墊船越出阻力峰墊態高速航行時，基本懸浮在運行表面之上，阻尼小，在外界風浪作用下易側滑，故帶側滑角的斜航興波是氣墊船的一大特色。

圖9 氣墊船船首方向與前進方向（航跡向）存在側滑角Beta

2.2 興波計算結果可視化

為直接觀察與方便獲得興波波面與圍裙手指末端的相互關系，與船底中部的分隔圍裙手指對應的波面升高，以及興波在圍裙氣墊圍線之外的分布情況（如用于氣墊破冰計算），有必要實現氣墊興波波形的可視化。以下將對在Matlab以及CATIA中實現氣墊興波計算結果的可視化分別加以討論。

2.2.1 Matlab中利用Surf函數實現可視化

在Matlab中編制顯示由Fortran程序計算得到興波波形的程序，利用Surf（X，Y，Z）函數構建三維興波波形。需要說明的是，參數X、Y為一維行向量，而參數Z為二維矩陣，Z的行數應與Y的變量個數一致，而列數與X的變量個數一致。利用本文編制的程序首先對Zilman［9］計算得到的深水情況下氣墊船斜航在不同Fr與側滑角β時的氣墊興波阻力、側向力、搖首力矩對應無因次系數Cx、Cy、Cm作三維顯示，見下頁圖10。氣墊船不同航速與側滑角下的氣墊興波波形可視化效果見下頁圖11，另外可分別交互指定X、Y對應的顯示范圍。有了三維曲面，即可由Matlab中的interP2（）函數插值獲得任意Fr與β下的Cx、Cy、Cm值，從而為氣墊船六自由度運動數值仿真提供運動阻力的技術基礎。

圖10 Zilman計算得到的深水情況下斜航氣墊興波阻力及其三維可視化圖形

圖11 美國LCAC氣墊興波波形三維可視化圖形

2.2.2 CATIA中實現興波可視化

在CATIA中進行二次開發，將由Fortran程序計算得到的興波數據文件讀入，沿X軸、Y軸方向分別構建Polyline連接線，再利用多截面曲面（MultiLoft）函數，形成三維波面。對前述Zilman斜航興波阻力的可視化見圖12。CATIA中可方便得到興波波面的Contour，即利用不同Zi值的水平面去剖切曲面，將形成的交貫線在水平面上投影即可，氣墊船不同航速與側滑角下的氣墊興波波形可視化效果見圖13。

圖12 Zilman計算得到的斜航氣墊興波阻力在CATIA中三維可視化圖形（下部為等高線圖）

2.3 CATIA中興波波形可視化擴展應用

在CATIA中依據圍裙手指末端所在氣墊圍線，求得其與氣墊興波波面的交線，得到圍線前后左右兩側對應的波面高度差，可基于積分獲得興波所致阻力、側向力、搖首力矩，以及縱、橫傾角變化。如美國LCAC上裝備的第一代深型柔性圍裙（其上為主船體）、SSC上安裝的Textron先進圍裙及其氣墊圍線對應的興波波高見圖14。美國LCAC在阻力峰處圍裙下端氣墊圍線對應的氣墊興波波形見圖15。

圖13 氣墊興波波形三維可視化圖形

圖14 美國LCAC、SSC圍裙及其氣墊圍線對應興波（紅色線框所圍區域）

圖15 美國LCAC圍裙下端氣墊圍線對應興波波形以及三視圖（粉色線框為對應的初始靜水面初始位置Z向放大）

美國LCAC在阻力峰處，側部圍裙下部手指與 氣墊興波波面之間的相互位置關系見圖16。

圖16 美國LCAC圍裙下端與興波波面之間的相互關系

從圖中可以發現：氣墊興波波面為近似正弦曲線，而側部圍裙下部設計為一水平直線，從而導致部分手指浸入興波波面之內，由圖可獲得浸水圍裙手指的濕表面積。在阻力峰處，首部及側前部圍裙手指下端與水面之間存在較大氣墊泄流飛高，而側后部圍裙手指浸水。在圍裙手指與水面剛好接觸的側部處，氣墊泄流飛高變為0，水面受圍裙手指干擾而破碎形成水花飛濺，這與氣墊船船模拖航及實船航行試驗中觀察的水花飛濺現象較為一致。

氣墊船由于其破冰能力強、破冰速度快，而成為破冰的一個有力手段。俄羅斯正在研發的自航式氣墊破冰平臺的破冰效果如圖17所示。

有了氣墊興波的可視化，可直觀地觀察到興波影響的范圍，從而更好地理解其對破冰能力及破冰范圍的影響。

圖17 俄羅斯新型自航式破冰船破冰效果圖

3 氣墊壓力、囊壓測試結果的可視化

氣墊船墊態航行時高壓氣墊將船體墊升在運行表面之上，外界波浪通過圍裙內部氣墊壓力波動將載荷施加在船底結構，形成氣墊減載效應［10］；同時，圍裙氣墊壓力與大囊壓力的波動也導致圍裙承受動態載荷，尤其是在圍裙與船體的剛性安裝連接邊處。因此，實時測量船在波浪中航行時的氣墊壓力、囊壓對分析船體、圍裙受力情況具有重要作用。

3.1 測試結果可視化

由于壓力測點只能布置在船典型位置處，將壓力測試結果可視化，可直觀地觀察某一時間點上壓力的空間分布情況，判斷氣墊壓力、囊壓測得值的合理性。船模的壓力測試值空間分布見下頁圖18，每組分別包含測試時段內的壓力最大值、平均值、最小值。

3.2 擴展應用

基于氣墊壓力測試結果，可進一步獲得由分隔圍裙將氣墊分隔形成不同氣室下的壓力波動變化情況，結合氣墊興波波面升高、下降對波面與氣墊圍線所圍容積的變化，分析壓力變化情況。結合記錄當時的外界波浪狀態，可獲得波浪泵吸對氣墊壓力波動的影響，以及遭遇特定波長涌浪下船垂向加速度超過1g情形下，氣墊壓力的波動情況，為墊升系統改進提供參考。

圖18 船模壓力測試結果可視化

4 結 語

全墊升氣墊船存在獨有的圍裙氣墊系統，墊態航行時高壓氣墊將船體托離在運行表面之上，具有水陸兩棲性，存在多種運行模式。墊態航行的特點使其對質量要求嚴苛。船體浮箱結構薄弱，登陸越障使浮箱破損風險大，只能密集劃分水密艙室，但破艙安全要求較高。自身的氣墊興波引起船阻力、側向力、搖首力矩，導致縱、橫傾角變化，帶側滑角斜航時，興波力與力矩更為復雜。自身氣墊興波、外界波浪會改變氣室與水面之間的容積，引起氣墊壓力與囊壓的波動，產生對船底結構、圍裙的動載荷。本文通過CATIA中二次開發，實現破艙穩性計算結果、三維興波波形、氣墊壓力測試結果的可視化，方便直觀這些數值的空間分布情況，有利于對氣墊船性能進行綜合分析。