基于CAD二次开发的V型无压载水船

张明霞， 李 岗， 赵正彬， 秦帅帅

(大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连 116024)

0 引 言

目前运营的船舶一般会设置压载水舱，并在一定情况下注入压载水。船舶在空载时注入一定量压载水可调整船舶浮态、抵抗风浪、保证足够的艉吃水等。由此可见，压载水对船舶安全航行起着非常重要的作用，但是压载水的排放也对海洋环境和人类健康造成了严重威胁，已经被国际海事组织(IMO)宣布为海洋面临的“四大危害”之一[1]。

压载水对环境及人类健康的危害是无法估量的，为此IMO出台相关规范控制压载水的排放，降低压载水带来的危害。2014年，IMO通过了《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》，2016年9月8日，芬兰加入了压载水公约，公约正式达到生效条件，并于2017年9月8日正式实施。为满足规范要求，需对压载水进行处理，目前正在研究的处理方法[2]主要有：物理处理法、化学处理法以及生物处理法。但是，目前的压载水处理方法各有利弊，很难完全消除压载水带来的危害。

国外有些国家创新性地提出无压载水船舶，典型的船型有日本的V型无压载水船[3]、美国的贯通流船体[4]、荷兰的单一结构船体[5]。V型无压载水船采用V型船底，并同时增大船宽，实现空载无压载水的目的。贯通流船体采用水流箱代替传统压载水舱。当船舶空载航行时打开水流箱系统的前后密封盖，此时水流箱是个开放的系统，海水从船首流入，从船尾流出，减小船体浮力，增加吃水；当船舶满载航行时关闭密封盖，将海水排出，水流箱处于密封状态为船提供浮力。单一结构船体在船底部设置一个向后开放的内凹，这种结构能够增大船体在空载时的吃水，缺点是在相同的吃水下，与传统的船型相比具有较大的湿表面积。

国内有些高校已开始对上述3种无压载水船设计方案进行研究，并且衍生了组合船型的设计方案，如贯通流系统与V型船身的组合船型[6]、V型船身与单一结构体组合船型[7]、双尾鳍船型与单一结构船身的组合船型[8]等。韦俊凯等[9-10]提出基于横剖面面积曲线不变的V型无压载水船设计方法，利用AutoCAD二次开发完成型线快速设计，但对于三维模型文中只研究了三维线框图，三维实体模型还有待研究。陈伟华[11]基于母型船的中部主要横剖面面积不变，保证排水量不变，通过改变船宽、船长、型深生成系列V型船身方案，利用NAPA生成系列方案型线。这种型线设计方法能够变换出较多的船型方案，但对母型船的改动较大，NAPA生成系列方案型线的工作量大。官小伟[12]以35 000 t散货船为研究对象，基于中部横剖面面积不变的原则，得出底倾角、船宽、设计吃水等3个变量之间的关系，并得到60种设计方案，但文中并未对型线的生成进行研究，若要手动绘制费时费力，且效果不好。王琳等[13]基于横剖面面积曲线不变原理，提出确定船底倾角的方法和非平行中体部分型线变换新方法，得到满足无压载水要求的最小船底倾角，该方法能初步确定最小船底倾角，但是并不一定是最佳船型，还要对其他船底倾角下的方案进行研究。

V型无压载水船的型线设计主要基于母型船的横剖面面积不变，即设计船与母型船每一站处设计水线下的横剖面面积相等。本文在现有的研究基础上，改进了V型无压载水船的型线设计方法，同时研究设计船型线和三维模型的快速生成。在前期船舶设计工作中，实现设计船型线和三维模型的快速生成，能够提高设计效率和设计质量。

1 型线设计方法

V型无压载水船的设计原理主要基于母型船的横剖面面积不变，在保证排水量基本不变的基础上，使设计船底部呈明显的V型。但是，这种方法若不考虑底部的平板龙骨，变换出的船型会在船底部中间位置生成尖形的船底，不利于实际的建造。图1为不考虑平板龙骨的V型无压载水船与母型船横剖面对比情况，由图可以明显地看出设计船呈现尖形船底。

图1 尖底的V型无压载水船

1.1 平行中体处的型线变换

在现有型线设计方法的基础上，提出一种改进的型线设计方法，即基于母型船的横剖面面积不变，保证船长、设计吃水和排水量不变，增大船宽，生成船底倾角，并考虑在倾斜的船底上生成平板龙骨。图2为母型船与V型无压载水船中横剖面的对比。

图2 母型船与V型无压载水船中横剖面对比

在船体中纵剖面处设置平板龙骨，平板龙骨的半宽为b0，母型船的半宽为b，设计船的半宽为B，二者的设计吃水均为d，高度h=(b-b0)tanθ，高度H=(B-b0)tanθ。设计船底部倾斜角度为θ，区域P可近似看成三角形，是生成倾斜船底后减少的面积，区域Q可近似看成梯形，是增加型宽后所增加的面积。

区域P的面积为

(1)

区域Q的面积为

(2)

令SP=SQ，即可满足在平行中体处设计船与母型船每一站处的横剖面面积相等。同时，由于在变换中增加了型宽，令B=(1+k)b，且k>0,设k为变量，将B=(1+k)b代入到SP=SQ，整理可得

b2tanθ×k2+2b(h-d)×k+h2arctanθ=0

(3)

求解可得

(4)

考虑到实际情况，即使增大设计船的型宽，型宽也不可能非常大，所以限定k的取值范围为0

1.2 非平行中体的型线变换

考虑非平行中体处的型线变换，利用改造母型法中的比例变换法，实现非平行中体处型线变换。设计船的船长及吃水与母型船保持一致，型宽与母型船不同，因此只需对每个型值点处的半宽值进行比例变换。

图3为非平行中体的型线变换示例，在同一吃水高度下，设y0i为母型船上非平行中体处任意一点的半宽值，yi为设计船上相应点的半宽值，b为母型船中站面相应吃水高度处的半宽值，B1为设计船中站面相应吃水高处的半宽值，变换函数为

图3 非平行中体型线变换

(5)

由上面的变换函数即可求得设计船非平行中体处的半宽值。

2 型线的快速生成

AutoCAD图形处理软件广受工程技术人员的青睐，用户遍布世界各地，AutoCAD不仅绘图功能完备，还是开放的结构体系，即用户可以根据自己的需要，对其进行二次开发。Visual Basic语言功能强大，简单易学，适合非专业人员对软件进行二次开发。Visual Basic可直接对AutoCAD进行二次开发，将AutoCAD当成自己Visual Basic程序中的一个图形窗口，对其进行打开、绘图、编辑、打印、关闭等操作[14]，二次开发实际上扩展了AutoCAD软件在某方面的特殊功能，帮助用户实现自己设想的功能。

利用Visual Basic 6.0对AutoCAD 2014进行二次开发，可实现设计型线的快速生成。根据图4流程图编写二次开发程序，绘制设计船型线。

图4 AutoCAD二次开发流程图

母型船的CAD型线图比型值表涵盖的数据量更多，且母型船的CAD型线图一般是光顺的。本文通过对AutoCAD的二次开发能在母型船的CAD型线图中提取型值点，这样就避免了使用母型船的型值表手动绘制型线之后还需手动修改型线的问题。采用本文提出的改进的型线变换思想，以载重量26 000 t油船为母型船，通过二次开发软件可得到船的主尺度及光顺的设计船型线。母型船的资料如表1和图5所示。

表1 母型船船型参数

图5 母型船半宽水线和横剖线图

在软件中输入母型船主尺度、设计船底倾角以及母型船平板龙骨的宽度等参数，便可快速得到设计船的型宽，获取母型船的型值点，完成设计船型值点的计算。图6为二次开发软件中的船型变换输入界面。

图6 二次开发软件输入界面

通过二次开发软件可以快速得到设计船的主尺度，通过计算可得设计船的底倾角与设计船型宽的对应关系如表2所示。

表2 设计船的底倾角与型宽的对应表

续表2 设计船的底倾角与型宽的对应表

变换母型船型线后，可得到V型无压载水船的半宽水线和横剖线，图7为底倾角θ=14°时，设计船的横剖线和半宽水线图。

图7 设计船横剖线和半宽水线图(θ=14°)

3 快速建模

船体三维模型的建立是船舶设计中的重要环节之一。现在船舶性能计算是在三维模型的基础上进行的，如计算船的稳性、快速性、耐波性等，并且三维模型还能为后续设计和建造阶段的信息集成和共享提供基础。V型无压载水船的设计还不够成熟，船型参数在前期设计中需要反复修改，并且会存在多种设计方案，因此快速准确地建立船体三维模型尤为重要。

CATIA软件最早应用于飞机制造领域，现在船舶制造领域也已使用该软件，该软件具有强大的曲面生成功能，具有多种二次开发接口[15]，可以提高船舶设计过程的效率和质量[16]。V型无压载水船快速建模主要由两部分完成：一是型值点及型线的快速生成；二是曲面及三维实体的快速建立。图8为快速建模的主界面。

图8 CATIA快速建模主界面

3.1 创建型值点和型线

船体的型值点以型值表的方式呈现，在三维建模中，型值表数据往往不能直接使用，给数据点的导入带来不便。在AutoCAD二次开发模块中，能生成光顺的设计船型线，继续扩展此模块功能，实现在AutoCAD中提取设计船型线的三维型值点，并将型值点导入到CATIA软件创成式曲面设计模块中带有宏命令的Excel表格，通过运行Excel表格的宏命令可快速在CATIA创成式曲面设计模块中生成型值点及相应的型线。

以载重量26 000 t油船为母型船，以底倾角的V型无压载水船为例，其型线如图7所示。分别将半宽水线和横剖线的三维型值点导入Excel表。如图9和图10所示，StartCurve与EndCurve之间是型线的型值点。

图9 半宽水线型值点

图10 横剖线型值点

三维型值点导入Excel后，要在CATIA创成式曲面设计模块运行Excel中名为Feuil.Main的宏，并在宏命令提示窗口输入相关命令。这里输入的命令是“2”，可以生成点和曲线。其中,命令“1”代表只生成点，命令“3”代表生成点线面。导入的型线如图11和图12所示。

图11 导入半宽水线

图12 导入横剖线

图12所导入的网格线并不完整，对于比较特殊的曲线，如艏艉轮廓线、艉封板、甲板边线、舷墙顶线等，上述导入方法并不适用。对于艏艉轮廓线、艉封板，可以通过“样条曲线”命令手动添加。本文所研究的快速建模对模型有所简化，不考虑甲板边线、舷墙顶线等。

3.2 创建实体模型

在得到船体型线后，需要用曲面命令创建船体曲面。船体曲面是有三维曲度的曲面，平行中体处的曲面曲率变化不大，越靠近艏艉部分船体曲面越复杂。在平行中体处可用“多截面曲面”命令创建曲面，而艏艉部分和艉封板等使用“填充曲面”命令生成曲面。将生成的曲面封闭后，用“封闭曲面”命令生成实体模型。

本文研究的三维模型快速生成，其快速性具有相对性，对于同一艘母型船变换出的V型无压载水船具有相似性，因此可以通过CATIA进程内VBA脚本编程方法[17]完成同一艘母型船不同底倾角下设计船的快速建模。

以底倾角θ=14°的设计方案建模全过程为模板，录制建模全过程的宏命令，并在VBA开发环境下进行编辑调试运行，将调试成功的程序运行，所得结果如图13和图14所示。

图13 封闭曲面模型

图14 实体模型

快速建模方法能够提高建模效率，较快地完成对船体三维模型的建模工作。创建船体型线模块具有很好的通用性，能够适应不同船型；创建实体模型模块需根据母型船的不同录制不同的宏文件，此模块通用性较差，但是对于由同一艘母型船变换得到的设计船而言，这种建模方法能够达到很好的效果。图15为根据上述方法生成的实体模型，上述方法对母型船快速建模也是适用的。

图15 实体效果图

4 结 论

(1) 基于V型无压载水船的设计理论，改进了型线设计方法，根据实际建造要求在设计船底部生成平板龙骨，通过该方法结合AutoCAD的二次开发，快速生成光顺的型线图。但是，在个别底倾角下，快速生成的设计型线艏艉和舭部会出现不光顺的情况，通过手动修改便能满足光顺要求。因此，本文所提出的改进型线设计方法是可行的。

(2) 在AutoCAD和Excel的协同下，方便快速地将三维型值点导入CATIA软件生成点和型线，并且利用CATIA进程内VBA脚本编程方法实现快速建模。这种快速建模方法简单实用，不需要大量代码即可实现，为V型无压载水船多种船型方案的建模及性能计算(如水动力性能计算)提供方便，具有一定的参考价值。但是，这种建模方法通用性不佳，对模型有所简化，生成的曲面仍有不光顺的部分，需要手动修改，后续工作需提高其通用性及自动化。

本文主要研究了型线设计方法、型线的快速生成及快速建模，对V型无压载水船的研究处在初步阶段，后续需要对其他性能进行研究，以期得到性能最优的V型无压载水船设计方案。