NAPA船体型线设计

吴兵样　陈固军　彭立立

摘 要：文章介绍了某海洋测量船利用NAPA软件进行船体型线设计的过程，并概略介绍了船体型线建模、型线光顺的流程。该软件的应用过程可对广大同类船舶研究设计人员起一定的参考作用。

关键词：NAPA；船体型线建模；测量船；型线光顺

中图分类号：U662.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0009-02

1 概 述

船体型线设计（即船体设计建模与型线光顺）是船舶建造基本设计中一项很重要的设计工作，决定了一艘船舶的外形，也决定了该船舶的大部分主要性能。

因此，一个良好的型线设计是一艘船舶船体设计、性能计算的重要基础，其重要性显而易见。

利用NAPA软件进行相关的船体型线设计是当今船舶行业比较主流的做法。

NAPA是英文Naval Architecture Package简称，是芬兰NAPA公司于1990年开始研究开发的一款船体结构设计、船舶有限元建模、强度分析的船舶总体性能计算软件。

由于NAPA公司最近20多年对软件不断更新、开发、推广以及软件自身的可操作性、准确性，NAPA目前在世界范围内拥有越来越多的使用者，并有越来越多的三维工程设计公司与其建立成合作伙伴关系，例如美国鹰图公司（Intergraph）就与其合作，将NAPA软件设计导出的船体型线基本设计成果作为其详细设计、生产设计软件Smart Marine 3D的基础文件加以利用。

本文介绍了某海洋测量船利用NAPA软件进行船体型线设计的过程。

2 船体型线设计

船体型线设计是船体后续结构设计、性能计算、模型试验、舱室布置和放样建造的依据。因此，设计人员应对型线设计给予极大重视，以下是利用NAPA软件进行船体型线设计的主要过程。

2.1 船舶主尺度定义

该测量船入ABS级。

船舶的主要尺度如下：

总长：227.6 m

垂线间长：217.4 m

船宽：36.4 m

设计吃水：10 m

肋骨间距：0.7 m

用户进入NAPA程序后，程序会首先提示用户需要建立一个新的船舶工程项目，故用户应在相应位置输入该测量船的主尺度数值以及肋骨间距数值，如图1所示。

2.2 曲线定义

船体的外壳表面是一个具有不规则形状且表面光顺的曲面，该曲面的是靠一系列的曲线定义构成的，相应的这些曲线又是靠一系列的点定义的。

NAPA中曲线的定义格式为：

CUR NAME ‘Optional explanation text

Location surface

Definition points

[Side condition]

一些特殊的船体要素曲线如平边线、平底线、尾封板线等不仅需要点的定义信息，还需要包括一些特定的曲线边界信息。曲线边界信息指的是该曲线周边的曲面形状信息，在NAPA中，其定义格式如下：

SC P：表示船体平面边界的限制曲线。

SC M：表示船中部分边界的限制曲线。

SC -//-：表示船折角区域边界的限制曲线。

对于该测量船来说，需首先定义其船艏艉中纵剖线、最大横剖面线、平边线、平底线、尾封板线、折角线，接着定义其主要横剖面线以及其他辅助线段。

2.3 船体曲面生成

NAPA中曲面的定义格式为：

SUR NAME ‘Optional explanation text

THR Curve01 curve02 curve03 …

[OUT x， y or z]

在没有定义生成曲面外侧的方向的情况下，NAPA默认将Y轴正方向作为曲面外侧方向，这与传统船体曲面外侧定义方向一致，但对于双体船则需用户通过OUT 命令行自己定义好正确的曲面外轴方向。

由于船舶艏部艉部之间的曲面曲率一般变化相对较大，故将该测量船船体曲面分成三部分：船艏部分（HULLF）、船中部分（HULLM）与船艉部分（HULLA）。这样分配的好处可以同时安排多名设计人员一起参与设计该船的型线设计工作，提高效率，又可以使船艏曲面、船艉曲面分开处理，降低工作难度。带船艏曲面、船中曲面与船艉曲面生成好后，再通过以下定义格式将其合并为一个总船体曲面：

SUR HULL

COM HULLF HULLM HULLA

船体曲面生成好后，需对曲面做准备（PREP NAME）并更新（UPDATE NAME）操作，这样才能进行后续结构计算、总体性能等工作。

另外，船舶结构中一些比较规则的几何形状的结构，如甲板面、槽型舱壁等，也可以通过NAPA的特殊曲面生成命令较快捷地生成出来。

3 船体型线光顺

NAPA的船体型线光顺工作主要在Hull Surface Editor模块中完成，该测量船HULLF部分如图2所示。

3.1 PATCH曲面的生成原则

同大多数传统的型线光顺软件原理一样，NAPA生成的船体曲面也PATCH曲面组成的，PATCH曲面的生成有以下几点原则：

①PATCH曲面只能定义为2边、3边及4边。

②PATCH曲面不能跨越边界线、折角线。

③PATCH曲面形状与其边界点及各个边界点沿边界及曲面的角度等曲面参数有关。

NAPA于2009年1月份开始，在PATCH曲面生成船体曲面的基础上，开发了使用NURBS曲面生成船体曲面的方法，首次引用了边界曲线Boundary（BND）Curves，主曲线Primary （PRI） Curves及次曲线Secondary（SND）Curves的定义，将生成曲面的曲线分成以上三类，使不同曲线在生成船体曲面进程中的作用更加清晰，NURBS曲面的定义格式为：

SUR HULLF ‘Optional explanation textP

THR FRF FBF CLF FSF WLF STEM KNF FR12 WLF FR13…

BND FRB KNF STEM WLF FR13 FSF FRF CLF FBF FR19

PO BTOL=0.005 KTOL=2 K2TOL=2 ETOL=0.01 ERED=20 TTOL=0.00888 NTOL=1 TSC=0 WSC=0 G=2 IMAX=4

其中，命令PO是NURBS曲面准备参数，例如，BTOL表示曲面边界控制点公差系数，用户可以通过调整准备参数，尝试生成不同的生成方案，最终达到生成比较良好的曲面结果。另外，在合并船艏曲面、船中曲面与船艉曲面时，应确保生成的NURBS曲面准备参数保持一致。

3.2 NURBS曲面生成曲面的优点

与传统的PATCH曲面生成的船体曲面相比，NURBS曲面生成的曲面有以下几个优点：

①NURBS曲面可以定义比传统PATCH曲面更大的船体曲面。

②相邻边界的NURBS曲面自动具有相同的曲面参数，如连续的边界曲面角度。

③最小化的NURBS曲面控制点的数目。

④更加灵活的网格定义方式，如能将横剖线、纵剖线、水线与对角线一起混合处理，能方便地将较大数量的曲线生成船体曲面等。

⑤用户可定义曲面准备参数，并直观地在Hull Surface Editor检测效果。

Hull Surface Editor在检验生成的船体曲面是否足够光顺并且符合设计要求方面，也提供了生成船体曲面的相关数据及图像信息，供用户参考判断，如生成曲面与定义曲线之间最大间距表格，该测量船的间距表格如图3所示，绘制出曲面倾斜曲线图、曲面曲率分布图，该测量船艏部曲率分布图如图4所示等。

4 结 语

船体型线设计是船体总体设计的关键内容之一，船体型线的好坏对船舶的技术性能和经济性有很重大的影响。船体型线光顺的过程是船舶设计工作中一个很有挑战、很需要时间的工作，所以作为船体型线设计人员应该具备细心、耐心及高度的责任心，戒骄戒躁，把握好这一关。

参考文献：

[1] 陈悦，谢云平.NAPA软件在油船总体设计中应用[J].江苏船舶，2008，（3）.

[2] 方学智，刘厚森，刘增荣.船舶设计原理[M].武汉：华中科技大学出版社，1998.