基于参数化船模的静水力计算

李日杰，吴方良，刘明静

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064)

0 引言

三维设计由于突破了平面和二维设计模式的限制，对于总体综合布置具有重要的意义，在航空、船舶和汽车等各行业应用都十分广泛［1］。世界造船发达国家十分重视三维设计、建造一体化研究开发工作，并已经运用于实船的设计与建造，英国VESEL公司、韩国现代船厂及美国电船公司等已经实现了三维一体化造船［2］，西班牙SENER公司推出的Foran软件系统能够提供集成化的全三维数字化船舶模型。目前国内船舶三维设计正处于起步阶段，与国际先进水平还有较大差距，静力性能计算仍以二维设计和人工计算为主，基于三维模型开展的静力性能计算应用很少，尚无完整的软件平台系统和计算方法。

静水力曲线是船舶正浮时的浮性、稳性要素与其平均吃水间关系曲线的总称，全面表达了船舶在静止正浮状态下浮性和稳性要素随吃水而变化的规律［3］，能够综合反映船舶的静力性能，因此具有很强代表性。本文应用数学型线法和三维参数化建模方法，快速生成船体型线，精确构建附带属性和边界条件的船舶三维模型，开展基于Catia软件平台的三维模型静水力计算，实现计算的自动化和程序化，并能保证结果精度，以提高设计手段，改进计算方法。

1 计算流程

研究Catia二次开发的Automation函数库，利用计算机编程技术，通过调用相应函数快速、精确生成三维模型及其附带属性，实现基于三维模型的静力性能计算几何特征处理功能，得到符合规范的静力性能计算输入数据，并进行统一存储管理，为静力性能计算处理出精确、完备的计算数据［4］。

根据船舶外形三维设计的流程，使用数据关联和驱动技术，使得基于三维模型的性能分析过程数据实现关联，大大减少了设计阶段数据频繁更改所带来的重复工作，解决数据孤岛和精确三维建模在设计中带来的瓶颈问题［5］。

船舶外形设计过程中需要进行大量的设计协调和数据交换，本系统通过在Catia中直接建模，既保证了设计、分析数据的同源性，同时生成的模型可以发布到下一个设计阶段进行细化设计，保证了设计数据的连续性，计算流程如图1所示。

图1 计算流程Fig.1 The calculation flow

2 计算模型

2.1 型线设计

船舶型线设计，一般有2种方法，即型值法和数学型线法。所谓型值法，即参考母型船型值生成船舶外形轮廓线，根据总体布置设计和曲线光顺设计要求，通过局部修改或相似变换进行逐步光顺逼近，最终获得船舶的型线和型值［6］。而数学型线法，是利用数学函数表示船体表面的形状，使这些数学函数与船舶的主尺度和要素关联，综合考虑各种要求，调整这些函数以达到满意的船型。

对于水滴型潜艇模型的轮廓线，无论是主艇体还是上层建筑，均是受一定边界条件约束的曲线。进流段型线通常采用回转体首型，去流段型线通常采用抛物线回转体，去流段长度一般控制在3～3.5倍艇体最大直径。轮廓线有多种数学描述方法，本文采用公式 (1)的数学方程式 (参数方程)进行描述。

式(1)在实际工程中得以广泛应用，所描述的曲线有很好的保突性，端点约束及丰满度也便于控制，只要确定了系数a0，a1和a2，曲线的形状也就唯一地确定了。本文构建的模型，其首部进流段轮廓线和尾部去流段轮廓线分别如图2和图3所示。

指挥室围壳一般有机翼型、轿车型、台阶型和混合型等多种形式，其中机翼型指挥室围壳的水平剖面和横剖面均为对称的流线型机翼剖面，这种形式具有良好的阻力性能，结构简单，工艺方便，在世界各国潜艇普遍采用［7］。在设计中以底端为基准剖面，其他水线高度处的水线面形状以基准剖面为基础结合舷长经仿形变换计算求得，其轮廓线如图4所示。

图4 指挥室围壳轮廓线Fig.4 The contour line of sail

2.2 参数化建模

参数化建模体现在对关键参数的控制上，这些关键参数包含尺寸、重量、重心、容积、容心等结构参数和L/B、L/H等形状参数，通过参数控制可以获取满足设计要求的艇体形状。

在Catia中输入主艇体、指挥室围壳、围壳舵、尾操纵面等结构的型线，控制相应的属性参数，生成曲面模型，建立各结构的实体模型，再通过装配设计最终实现三维参数化设计，从而得到潜艇三维模型，如图5和图6所示。

2.3 静水力计算

传统的船舶静水力计算思路是:沿船舶纵向方向选取多个不同的横剖面，按几何公式计算出船体的横剖面要素，从船体尾端点向首端点纵向积分，求得船体的容积及水线面要素，再将全船的水线面要素和总排水容积要素进行综合计算便可得到船舶的静水力曲线。显然，计算结果的精度受横剖面个数的影响，横剖面选取越密，计算精度就越高，此计算方法在工程中得到广泛应用和有效验证。

通过对Catia进行二次开发，生成Automation函数库，构建基于三维模型的计算功能模块，并对模块进行封装搭建静力性能计算平台框架和系统，使设计者能直接在计算界面中操作。计算模板是对设计、建模、分析过程中涉及的知识、经验和软件操作进行封装后形成的可重复使用的模块化组件。模板提供面向工程的人机交互界面，减少设计人员在设计、分析过程中的各种重复性劳动，大大降低了软件使用门槛并将工作过程标准化，并能通过设计流程进行关联。

根据不同的水线高度生成相应的水平平面，并用各平面截取船体的实体三维模型，求取各水平面以下的容积、水线面面积、惯性矩等要素，再对计算公式实现程序计算，完成容积矩、浮心、每厘米吃水吨数、稳性半径等要素。该计算最终可以获取模型在不同吃水T时的静水力曲线要素，包括排水容积V、浮心纵向坐标xB、浮心垂向坐标zB、漂心纵向坐标xF、横稳心半径r、纵稳心半径R、每厘米吃水吨数TPC、每厘米纵倾力矩MCT、水线面面积AW等要素信息，计算界面如图7所示。

图7 计算界面Fig.7 The calculation interface

3 结果分析

本文对某假定潜艇模型进行参数化建模和静水力计算，该模型总长L=115.00 m，型宽B=10.00 m，型深D=10.80 m，计算结果如表1所示。

表1 计算结果Tab.1 The result of calculation

在吃水T=6.80 m时，该计算数据与传统的二维积分计算结果进行对比，计算结果对比如表2所示。通过对比发现，2种计算方法结果相近，这证实了基于三维模型的静水力计算可靠有效，可以应用在理论计算和工程设计中。

表2 计算结果对比Tab.2 The contrast of calculation

4 结语

本文应用数学型线法和三维参数化建模方法，快速生成主艇体型线，精确构建附带属性和边界条件的三维模型，通过对Catia软件进行二次开发，将三维设计和静水力计算有效集成，提出了基于船舶三维参数化建模的静水力计算方法，可以直接计算和获取其静水力要素。与传统的二维积分计算相比，此计算方法工作量得以降低，计算界面清晰直观，过程大为简化，结果准确可靠，可以有效的预报和分析船舶静力船舶性能要素，具有较强的实用性，对于船舶总体设计和性能计算具有重要的指导意义。

［1］童秉枢.现代CAD技术［M］.北京:清华大学出版社，2000.

［2］邵开文，马运义.舰船技术与设计概论［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［3］盛振邦，刘应中.船舶原理(上册)［M］.上海:上海交通大学出版社，2003.

［4］孔慧敏，马晓平.基于CATIA V5的知识工程在船舶设计中的研究应用［J］.华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2005，19(3):84-86.KONG Hui-min，MA Xiao-ping.Application research of knowledge engineering on ship design based on CATIA V5［J］.Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science Edition)，2005，19(3):84-86.

［5］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.ZHAN Yi-ting，LIU Yin-dong.Creation of 3-D curved hull surface model and software programming［J］.Ship ＆ Boat，2006(3):44-47.

［6］沈国鉴.潜艇设计原理［M］.上海:上海交通大学出版社，1988.

［7］尤·尼·科尔米利村.潜艇设计［M］.列宁格勒:列宁格勒造船学院出版社，1981.