船舶半懸掛舵數字化設計及其軟件開發

聶森，胡啟航，繆俊，陸建輝

船舶半懸掛舵數字化設計及其軟件開發

聶森1，胡啟航2，繆俊3，陸建輝*,4

（1.青島城市學院 機電工程學院，山東 青島 266106；2.西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024；3.江蘇華帝海洋工程設備制造有限公司，江蘇 泰州 214522；4.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100）

針對目前舵系計算和繪圖數據形成信息孤島等問題，通過對半懸掛舵設計過程的分析，建立舵系參數化設計數學模型，基于Visual Basic 6.0平臺開發舵系數字化設計軟件。搭建4個舵系設計功能模塊，構建模塊與軟件數據庫間的鏈接，實現平臺內數據共享。軟件界面友好，數字與圖形互動，通過對輸入數據的實時質量控制確保設計無差錯。建立舵系零件特征參數，基于SolidWorks與AutoCAD軟件平臺，實現零件參數驅動與修改，有限元分析與精度控制等。以15000DWT自卸運煤船半懸掛舵為設計究對象，輸出了一套完整的半懸掛舵設計資料，驗證軟件設計的可靠性、準確性和高效率。

舵系數字化設計；半懸掛舵；軟件開發

工程中目前普遍采用三維設計軟件進行船舶及輔助設備設計，但計算數據和繪圖數據會形成信息孤島，使設計效率、可靠性下降，數字化技術的應用可有效地改變這種現狀。

目前，日本船舶制造業已形成比較完整的計算機集成制造系統[1]，美國DDG51和LPD17項目是數字化輔助船舶設計的典型案例[2]。在船舶數字化設計技術研究方面，國外通過參數化生成船體結構模型，提供船體幾何尺寸、主要結構等，使工程師在設計過程中即時得到數據反饋，從而方便設計修改[3]。國內科研院所也開展了船舶數字化設計平臺的開發。朱佳文等[4]提出一種基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數字化設計方法，在PDM中建立描述船舶總圖的結構樹，在AutoCAD中開發與PDM集成的接口，可在AutoCAD環境中繪制數字總圖并進行實時發布。時永鵬[5]開發了船舶主要素設計系統，并開發了計算船舶靜水力和阻力等性能的模塊，可將經驗轉化為計算機知識用于解決難以量化的參數選擇問題。戰翌婷等[6]采用數字化設計技術與RPD開發思路，建立了船舶的知識類型庫，開發了能夠實現全船結構三維快速建模和修改的原型軟件系統。隨著大數據和數字化技術應用，對某些舾裝部件設計數字化是趨勢。

目前業界舵系設計普遍采用Excel軟件，無法解決設計過程中多平臺數據傳遞問題[7]。舵系設計參數較多、結構較復雜，并且是在專業舾裝廠設計制造，經驗參數較多，其數字化設計研究成了真空地帶，數字化設計推進緩慢。根據專業舾裝廠的需求確定本研究目標，以一艘15000DWT自卸運煤船為對象，建立半懸掛舵設計數字化模型，總結融入專業經驗及相關標準，開發半懸掛舵系數字化設計軟件。

1 舵系的總體布局

15000DWT自卸運煤船設有2只半懸掛舵，布置于船尾螺旋槳之后，處于螺旋槳尾流之內，舵葉通過舵銷支承在掛舵臂上，舵葉與舵桿采用錐體連接，舵桿與舵柄通過鍵連接從而將舵機的扭矩傳遞到舵葉上，舵承則對轉動部位起到潤滑作用，同時上舵承又起到支撐舵桿的作用，總體布置如圖1所示。

圖1 半懸掛舵布局

2 半懸掛舵特征參數模型

該自卸運煤船航行范圍主要在我國沿海港口，以裝運煤炭為主，船體基本特征參數如表1所示。對半懸掛舵，舵機扭矩＝120.195～125.42 kN·m。根據CB/T 972－1994《海洋船舶液壓舵機》，選用公稱轉舵扭矩160 kN·m的往復柱塞式液壓舵機[8]。

表1 15000DWT自卸運煤船船舶特征參數

分析半懸掛舵設計過程可知舵系特征參數和船舶特征參數之間存在著密切的聯系，根據中國船級社（CCS）的《鋼質海船入級規范》可知，參與舵系計算的船舶特征參數有船長、吃水、航速等。

為了滿足操縱性，根據德國勞氏船級社（GL）海船入級規范《Rules for Classification and Construction》，推薦可動舵面積應不小于規定值，與船舶特征長度、航速成正比[9]。舵力是計算舵葉尺寸的基礎，總舵力C參照中國船級社《鋼質海船入級規范》計算[10]。考慮正車、倒車等工況，根據《鋼質海船入級規范》，可推算出舵桿扭矩Q與舵面積和舵高及舵寬存在函數關系，剪力和彎矩與舵力C存在函數關系。在對舵系零件設計時，由《鋼質海船入級規范》可知：舵桿直徑與舵桿扭矩Q存在函數關系；舵葉板厚與船長、吃水、舵面積、舵力C間存在著函數關系；舵銷直徑d與舵系所受剪力存在函數關系，間接與舵力C關聯。

通過以上分析，可建立船舶特征參數和舵系設計參數間的關聯如圖2所示。各種計算系數、水動力參數、經驗值、基本結構形式等由數據庫提供支持。

圖2 船舶特征參數與舵系特征參數關系圖

根據舵系參數和船舶特征參數之間存在的數學關系，可將船舶特征參數轉化為舵面積、舵力、扭矩等舵系設計參數，為零件數字化設計奠定基礎，同時工程師可根據實際情況圓整或修改參數，并反饋給軟件進行重新計算以確定舵系設計的合理性。

將舵系設計計算參數整合，得到舵系設計參數和船舶特征參數之間的函數關系為：

式中：為舵的某個設計變量；為特征船長，m；為吃水，m；為航速，kn；、、為指數，與舵系設計參數屬性有關。

3 軟件系統構建

舵系設計根據規范標準、船東需求、施工工藝等，需要進行反復修改和確認，最終形成加工文件和船檢報告。為了提高設計效率，提升企業數字化管理水平，開發船舶舵系數字化設計軟件，內部封裝設計計算內容及算式（包括經驗算式），通過接口與數據庫、三維建模軟件等鏈接，將舵系參數計算、零件尺寸計算、標準件選型和建模仿真等封裝，構成設計、分析、工程出圖、報告編制的協同設計平臺。

舵系數字化設計軟件框架如圖3所示。軟件基于Visual Basic 6.0平臺開發，方便工程師根據需求進行設計和修改[11]；數據庫為軟件提供信息檢索功能；三維和二維建模模塊為用戶提供零件模型的輸出和仿真分析功能；舵系設計完成后，VB驅動office，將設計結果以設計說明書的形式輸出，并提供船檢報告。

圖3 船舶舵系數字化設計軟件框圖

基于上述框架開發的舶舵系數字化設計軟件工作流程如圖4所示。通過輸入船舶特征參數，依次執行舵系參數設計模塊、受力分析模塊、零件設計模塊等，設計完成后，系統自動對零件進行校核，最終形成完整的設計文檔。

3.1 各模塊功能設計

軟件的功能結構如圖5所示。采用模塊化設計分為舵系參數設計、受力分析、零件設計、文檔管理（計算書、送審材料、工藝參數等）4個模塊，并保留良好拓展性，便于軟件升級。

軟件船舶特征參數界面如圖6所示。根據業主提供的資料，將數據填入白色框中，選擇船型、舵型、舵剖面形狀、支撐方式等約束，然后進入各個模塊進行設計計算。

圖4 軟件工作流程圖

3.2 舵系參數設計模塊

舵系參數設計界面如圖7所示，填寫相應數據，軟件自動計算得出所需的舵面積、舵力和扭矩等舵主參數，工程師可由經驗圓整及修改，軟件重新計算及配置參數。在填寫數據過程中，軟件會根據相關規范要求對數據質量進行在線控制

3.3 受力分析模塊

進入如圖8所示的受力分析界面，導入舵系中各尺寸的數值，點擊“計算”按鈕，按照船級社規范進行剪力和彎矩的計算。通過觀察最大受力點位置、數值及分布，用戶可以修改尺寸數據以獲得有利于設計制造的受力情況。

圖5 軟件功能結構圖

圖6 船舶特征參數界面

圖7 舵系參數設計界面

圖8 受力分析界面

3.4 零件設計模塊

零件設計模塊包括舵桿舵葉的參數設計，舵桿與舵葉的連接方式設計，舵承、舵銷的設計和零件的校核等，零件設計主界面如圖9所示。用戶根據實際情況將軟件計算所得的舵桿舵葉參數值調整后輸入實際值，當實際取值小于設計值時填寫框會以紅色標明。

圖9 零件設計模塊主界面

在舵桿與舵葉連接方式庫中有水平法蘭連接、垂直法蘭連接、有鍵錐形連接和無鍵錐形連接等，通過下拉框選擇。在本懸掛舵設計中采用無鍵錐形連接方式，設計界面如圖10。

圖10 無鍵錐形連接界面

用戶通過填寫各個特征尺寸值，在中間對應示圖位置顯示該值，使設計變得直觀輕松，物理意義清晰。隨后進行推入壓力、推入長度、推入力計算，軟件右下角顯示相應的取值范圍。在界面中點擊“建模”按鈕，進入舵承和舵銷等主要零部件的尺寸設計界面，設計完成后進入零件的三維建模和二維繪圖界面。

當舵系零件設計完成后點擊“校核”按鈕進入校核界面，軟件按照零件實際尺寸進行校核，并在界面表格中顯示校核過程如圖11所示。當顯示“不滿足”，返回相應零件設計界面進行修改。

圖11 零件校核界面

3.5 文檔管理模塊

文檔管理模塊的功能是生成計算書，并留有進一步拓展空間，形成多種報告、生產管理及加工工藝文件等。在船舶特征參數界面點擊“文檔管理”按鈕，按照規范快速生成一整套舵系的設計計算書用于送審。

通過Visual Basic 6.0調用Microsoft Word 2010，軟件生成一個新的Word文檔并處于活躍狀態。通過讀取程序，將設計數據自動編輯到Word文檔上，實現自動生成計算書的功能。

通過Visual Basic 6.0調用SolidWorks 2010自動生成零件三維建模，用戶可對舵系進行裝配仿真和干涉檢查。圖12為舵銷零件的建模界面，舵銷的結構特征尺寸包括舵銷長度、錐體長度、舵銷直徑、舵銷下端直徑等，工程師通過設計零件的特征尺寸，驅動SolidWorks自動生成舵銷的三維模型如圖13所示，實現零件的參數化建模，生成的零件可用于舵系的裝配和仿真計算等。

圖12 舵銷三維建模界面

圖13 生成的舵銷模型

通過Visual Basic 6.0調用AutoCAD，軟件可以實現二維繪圖功能。圖14為下舵桿軸套和襯套的設計界面，工程師通過設計零件的外徑、內徑、高度、倒角和倒圓等特征尺寸，軟件可以自動生成CAD圖形并標注其尺寸，從而實現參數化繪圖。

圖14 下舵桿軸套襯套設計界面

圖15為VB調用AutoCAD生成的下舵桿軸套二維加工圖。VB調用CAD繪制圖形時需要建立圖形關鍵點，對零件進行分析，定義特征點，然后通過直線或圓弧命令連接。同樣地，在進行標注時也需要定義端點和標注點，精度根據使用要求由軟件推薦。同時還可以生成舵葉剖面線型等工藝參數。

圖15 VB調用AutoCAD生成的下舵桿軸套圖紙

4 結語

針對目前舵系設計計算繁雜、半理論半經驗參數較多等問題，通過對半懸掛舵設計過程的分析，建立舵系設計數學模型，開發出一套半懸掛舵系數字化設計軟件，以提高設計效率、消除差錯，實現對市場的快速反應。

得到如下研究結論：

（1）分析15000DWT自卸運煤船的半懸掛舵系設計過程，根據相關設計規范及其構造特點，建立舵系特征參數與船舶參數之間的數學模型，確定數字化設計數據驅動特征向量。

（2）基于Visual Basic 6.0軟件平臺，開發船舶半懸掛舵系數字化設計軟件。采用模塊化設計方式搭建舵系設計參數計算、受力分析、零件圖形輸出、文檔管理等模塊，構建模塊與軟件數據庫的鏈接，實現平臺內數據共享。

（3）軟件界面友好，數字與圖形互動，對輸入數據進行實時質量控制，確保數據無差錯。軟件根據輸入的特征參數，具有舵系設計計算、方案修改、容錯檢驗等數字化設計功能，輸出舵系三維模型圖、二維工程圖及送檢報告資料等，達成無差錯高效設計的研究目標。

（4）以15000DWT自卸運煤船的半懸掛舵系統為設計究對象，輸出了一套完整的半懸掛舵的設計資料，驗證了軟件設計的可靠性和準確性。

[1]祁昌，張祥真. 船舶制造數字化及信息化[J]. 科技創新導報，2018，15（22）：84-85.

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[4]朱佳文，肖鵬安，韓海榮. 基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數字化設計方法研究[J]. 制造業自動化，2017，39（8）：131-133，153.

[5]時永鵬. 船舶主要要素的智能化設計系統開發[D]. 上海：上海交通大學，2013.

[6]戰翌婷，費夢茹. 基于知識庫的船舶結構設計系統研發[J]. 圖學學報，2014，35（2）：230-235.

[7]黃昊. 民用船舶常規舵系設計的比較及分析[D]. 上海：上海交通大學，2012.

[8]中國船舶工業總公司. 海洋船舶液壓舵機：CB/T 972-1994[S].

[9]Germanischer Lloyd. Rules for Classification and Construction[M]. Hamburg：Germanischer Lloyd SE，2012.

[10]中國船級社. 鋼質海船入級規范（2021）[M]. 北京：人民交通出版社，2021.

[11]稂嬋新，譚亮，張少平. Visual Basic程序設計[M]. 北京：北京理工大學出版社，2018.

Digital Design and Software Development of Ship Semi-Spade Rudder

NIE Sen1，HU Qihang2，MIAO Jun3，LU Jianhui4

( 1.College of Mechanical & Electrical Engineering, Qingdao City University, Qingdao 266106, China; 2.State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China; 3.Jiangsu Empire Offshore Engineering Equipment Manufacture Co., Ltd., Taizhou 214522, China; 4.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The rudder is an important device for controlling the ship's heading and maintaining the navigation stability. Aiming at the problem that the rudder system design calculation data and drawing data cause information silos, through the analysis of the design process of semi-spade rudder, the mathematical model of parametric design of it is established, and the digital design software of rudder system is developed based on the Visual Basic 6.0 platform. Four functional modules are built to connect the module and the database to realize the data sharing within the platform. The software interface is user-friendly with digital and graphical interaction, and the real-time quality control of the input data results in an error-free design process. The rudder part feature parameters are established, and executions including the data driven calculation & modification and finite element analysis & precision control of the components are achieved based on SolidWorks and AutoCAD. Taking the 15000DWT ship semi-spade rudder as the research object, a complete set of design data is output, and the reliability, accuracy and efficiency of the software are verified.

digitalized design of rudder system；design of semi-spade rudder；software development

TP3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.002

1006-0316 (2022) 03-0007-08

2021-10-20

聶森（1975－），男，新疆哈密人，碩士，高級工程師，主要研究方向為智能制造、檢測與三維建模，E-mail：13606422436@163.com；胡啟航（1995－），男，山東濱州人，碩士，研究實習員，主要研究方向為智能制造與數字圖像處理，E-mail：hqhexcellent@163.com；繆俊（1982－），男，江蘇靖江人，工程師，主要研究方向為船舶舾裝件和舵系開發與設計，E-mail：miaojun_2003@163.com。*通訊作者：陸建輝（1960－），男，江蘇南通人，博士，教授，主要研究方向為海洋工程結構設計、制造，E-mail：lujianhui@ouc.edu.cn。