基于CATIA的三维船舶静水力计算研究

曹 晶 陈 明 孙永刚

大连理工大学船舶CAD工程中心，辽宁大连 116024

基于CATIA的三维船舶静水力计算研究

曹 晶 陈 明 孙永刚

大连理工大学船舶CAD工程中心，辽宁大连 116024

传统的基于二维插值的近似计算船舶静水力性能的方法在精度上有不可避免的劣势，且操作也较为繁琐。提出了一种基于船舶三维实体模型计算静水力性能的方法，该方法脱离了二维插值，以三维实体模型为基础进行计算。在CATIA平台环境下，通过制作船舶三维实体模型，再应用VB对CATIA进行功能上的二次开发来编制船舶静水力计算程序，从而实现自动提取实体模型信息，并应用这些信息进行静水力计算。最后，通过一个算例证明了该方法的易于操作性和计算可靠性。

船舶静水力；CATIA；VB.NET；实体模型

1 引言

CATIA V5在机械、汽车和航空等行业已得到广泛应用，但在船舶行业的应用还处于起步阶段。CATIA V5有针对船舶的专用模块，如船体结构、管系、电气和风管设计等［1］。CATIA提供COM／DCOM接口，支持从脚本到VB、VC、Delphi等的通用开发工具，开发技术简单，运行效率较高，是目前最常用的开发方法。目前，我国有很多学者在研究CATIA在船舶行业的应用，但他们大多是关注CATIA在船舶虚拟装配、船舶曲面设计和BOM数据提取等方面的应用［2］，而对CATIA在船舶静水力计算方面的应用却很少。其中，陈会庭虽在其硕士学位论文中研究过静水力计算，但也只是利用CATIA建立的船舶线框模型，通过IGS文件接口导入Maxsurf软件，并利用其Hydromax模块进行计算［3］。本文关注于利用CATIA平台及其提供的方法，通过VB语言来研究船舶在任意吃水下的静水力计算，以实现计算过程的简单化、自动化和计算的实时性。

2 基于CATIA的船舶静水力计算方法

2.1 传统的二维插值计算

传统的船舶静水力计算主要是利用离散数据进行插值计算。以横剖面面积求船舶的排水体积V为例，传统方法一般是选取每个站的横剖面面积为离散数据，通过数值积分的方法计算排水体积［4］。该方法的计算精度与选取横剖面的个数关系较大。从理论上讲，选取的横剖面个数越多，计算精度就越高，当然计算量也会迅速增加。而在实际工程项目中，在误差允许范围内，一般选取各个站的横剖面作为计算数据，为提高精度，也只是在首尾部增设横剖面。可以看出，传统计算方法在计算精度上具有不可回避的劣势，且操作也较繁琐。

本文是基于CATIA船舶三维模型的静水力计算，与传统计算不同，它是以船舶实体三维模型为基础的数值积分计算，在保证船舶实体模型造型精度的情况下，计算精度有望超过二维插值计算。

2.2 基于CATIA的船舶静水力计算

本文使用支持OLE和COM的编程语言VB.NET来控制CATIA API函数进行开发。VB.NET建立的程序与Windows的操作界面一致，其交互能力强，可以方便地根据用户需求进行设计与修改。本文采用CATIA三维实体特征建模软件作为图形平台。CATIA提供了几百个API函数，这些API函数是CATIA的OLE或COM接口，对其进行二次开发，就可以建立需要的功能模块。本文将数据库中的数据以BOM表的形式应用到了后续的船舶设计和计算中。SQL Server作为后台数据库，可提供信息管理模块供用户进行数据的管理、维护和输出。其程序结构如图1所示，程序逻辑流程如图2所示。

2.2.1 建立实体模型

CATIA通过读取型值表建立线框模型［5］，再由线框模型建立船壳曲面模型［6］。通过船壳曲面，就可以建立全船的实体模型，该模型只反映船舶的形状特征，不包含重量等物理属性［7］。模型直角坐标系统的原点O为尾柱与基平面的交点，其他与船舶坐标系相同，对于模型的形心、惯性矩等值，通过坐标变换即可换算到船舶坐标系中。全船的实体模型是静水力计算的基础，可重复使用。

计算程序可提供多种方法描述船舶浮态。横倾计算时，只需输入旋转轴距XY平面的距离C，以及横倾角φ即可，当C＝0时，即为小倾角横倾，当C＜＞0时，即为大倾角横倾。纵倾计算时，只需输入首吃水df和尾吃水da即可。正浮时，用户只需输入吃水d即可。C值的定义如图3所示。

浮态确定后，即可构造吃水平面，其方法有：

1）从已知平面偏移法。设CATIA坐标系中的任意平面为参考平面，输入偏移量和偏移方向，即可获得需要的平面。该方法适合模拟船舶正浮状态下的水线面。

2）从已知平面倾斜法。选定任意平面为参考平面，输入旋转轴和旋转角度即可获得需要的倾斜平面。该方法适合模拟船舶横倾或纵倾状态下的水线面，切割实体如图4、图5所示。

3）一般方程法。平面方程可表示为：A·X＋B·Y＋C·Z＝D，通过给定 A、B、C、D 的值，即可获得平面。

通过上述方法，可获得任意倾角的平面，这些平面能很好地模拟船舶在任意浮态下的水线面。获得吃水平面后，通过调用CATIA API函数中的AddNewHybridSplit方法，便可获得切割实体对象，该切割对象即为水线面下船体形状，其体积、型心等信息将是进行计算的主要数据。计算程序界面如图6、图7所示。

2.2.2 提取模型BOM信息

关于BOM信息，大多文献主要是利用CATIA提供的 Report工具来提取［8］，但它要求三维模型必须要以零件（part）的格式存在，即建立模型后，必须将模型的各个单元存成单独的part，这无疑会降低操作灵活性［9］。

本文主要是关注获取CATIA中HybridShape的BOM信息。通过VB调用CATIA中的Inertia类和Measurable类，就可以获得任意HybridShape的BOM信息，操作非常灵活。可以提取的信息有：排水体积、浮心纵向坐标、浮心垂向坐标、水线面面积、水线面纵向惯性矩、水线面横向惯性矩、漂心纵向坐标等。

2.2.3 静水力计算

将获得的数据进行坐标变换后，即可计算静水力的相关指标。给定一组吃水d后，根据本文的方法，便可获得一组吃水下的静水力数据。对这些数据加以利用，便可绘制静水力曲线图，并为船舶后续设计、性能计算提供数据资料。某吃水下的切割实体如图8所示，提取的实体信息如图9所示。

3 计算实例

下面将以某型油船为例来进行计算。该型油船的主尺度：Lpp ＝ 219.00 m，B ＝ 32.20 m，D ＝19.20 m。在吃水d＝13.72 m 时，有关排水量等信息的计算结果对比如表1所示。

表1 计算结果对比Tab.1 The contrast of calculation

传统的二维计算在工程中应用广泛，其计算结果也被认可。但从结果对比中可看出，运用本方法计算的结果与实船结果更接近，证实了结果的可靠性。分析认为，其主要误差来自于船舶三维实体造型，因为三维实体表达与型值表描述还有一定的差距。计算实例如图10、图11所示。

4 结束语

通过对CATIA进行二次开发，实现了船舶任意浮态的静水力计算。本文通过建立船舶实体模型，提取模型信息用于船舶静水力计算的方法，与传统方法相比，大大降低了计算工作量，而且使静水力计算过程更加形象化和简单化，计算结果也有一定的可靠性。同时，该方法的可重复性强，当船舶型线改变后，只需要重新建立船舶实体模型，即可轻松完成船舶静水力计算，这也符合船舶的螺旋设计思想要求。另外，建立的三维模型在船舶设计的其他环节也均可使用，如结构建模、舱室划分等，使船舶设计的后续工作更加便利。

［1］孔慧敏，马晓平，朱骏.基于CATIA V5的知识工程在船舶设计中的应用研究［J］.华东船舶工业学院学报（自然科学版）， 2005，19（3）：84－86.

［2］何朝良.基于CATIA／CAA平台的虚拟装配路径规划的研究［D］.南京：南京航空航天大学机电学院，2005.

［3］陈会庭.基于CATIA的散货船概念设计方法研究［D］.武汉：武汉理工大学交通学院，2009.

［4］盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海：上海交通大学出版社，2003：34－36.

［5］杨小波，柳存根.OATIA V5在船壳曲面设计中的应用［J］.造船技术，2004，（1）：30－33.

［6］战翌婷，刘寅东.三维船体曲面模型建立方法及程序实现［J］.船舶，2006，（3）：44－47.

［7］CHEN C L，TAI C L，LIO Y F.Virtual binocular vision systems to solid model reconstruction［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，35（3/4）：379－384.

［8］胡敏，廖文和，李迎光.基于CATIA的明细表信息自动提取和处理 ［J］.机械制造与自动化，2006，35 （3）：89－91，94.

［9］李进，马晓平，朱骏，等.CATIA环境下获取ERP系统中BOM数据［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2006，20（2）：65－67.

Calculation of Ship Hydrostatic Based on CATIA

Cao Jing Chen Ming Sun Yong－gang
Ship CAD Engineering Center， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

Using the traditional 2D interpolation－based method to compute hydrostatic performance of ship will result in an unfavorable accuracy and troublesome operation.A new method based on the 3D solid model was proposed， which was constructed in the CATIA environment， and combined to apply VB.NET to develop computing procedures of ship hydrostatic for secondary development.The information required for hydrostatic computation was then automatically extracted from the solid model.The good operability and reliability was proved by an example of tanker calculation.

ship hydrostatic； CATIA； VB.NET； solid model

U662.9

A

1673－3185（2011）02－25－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.005

2010-03-08

曹 晶（1985－），男，硕士研究生。研究方向：智能船舶CAD与集成信息系统。E-mail：caojing333＠hotmail.com

陈 明（1972－），男，教授，硕士生导师。研究方向：智能船舶CAD与集成信息系统。E-mail：chenming@dlut.edu.cn