基于NAPA船舶总体稳性快速校核程序的二次开发

隋冬临， 张明霞

(1. 大连船舶重工集团有限公司 设计研究院， 辽宁 大连116001；2. 大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连116024)

0 引 言

当前船舶行业科技迅速发展，国际公约与标准频繁更新，船舶所有人对技术、质量要求日益严格，这些因素都使我国船舶工业面临巨大挑战[1]。为了顺应市场需求，必须加大研发力度，提高创新能力，开发更多有拥核心技术、引领市场的新船型。新船型的开发对设计工作提出了更高要求，一个成熟的设计方案需要投入大量人力物力进行反复设计与优化改进。总体设计作为解决设计基本问题的前提，在初期船型开发时占据较为重要的地位，提高总体设计能力是船舶行业做大做强的必要条件。

在总体设计领域，船舶主尺度推算、船体布置及容积估算、稳性校核、总纵强度计算等属于一个系统的工作。在船舶初期方案设计阶段，这部分内容需要随着设计工作的推进不断调整，以适应不同设计方案的需求。这部分工作涉及规范公约众多，计算方法复杂，并且当前使用的计算程序也比较繁琐，需要进行操作的选项较多，各项计算程序之间关联性较小，在方案设计阶段面对重复计算时，工作量会成倍增加，且出错率也会随之提升。

NAPA软件是由芬兰NAPA公司开发的一款船舶设计计算软件，在船舶初期设计和详细设计阶段有着广泛的应用。NAPA依托其自身程序命令的特点，为二次开发提供了很好的空间。利用这种优势开发工程中需要的程序以提高工作效率，是一个值得深入研究的课题。

目前，基于NAPA的二次开发包括型线设计、快速建模、稳性强度校核、图纸快速编辑、Manager开发等多个方面。姚诚钰[2]对船体型线进行参数化设计，并通过NAPA提供的接口，将船型数据导入Fluent和Maxsurf中，对船舶水动力性能进行分析；管官等[3]建立装载信息数据库，依靠NAPA BASIC语言，开发用于NAPA装载工况自动检查的Manager程序，避免反复计算与比对工作；姚诚钰[2]分析造船工艺设计中的建模流程，基于NAPA STEEL建立新的模型建立流程，讨论其相对于其他软件建模的优点，应用于16 000 TEU集装箱船的工艺设计中；在破损稳性计算研究等方向，周煜等[4]统筹计算模型与数据，开发针对概率破损计算及报告输出的程序。

针对总体稳性初期设计工作，以某载重83 000 t散货船为模型，开发用于静水力及舱容计算、完整稳性校核、总纵强度计算、干舷及视野盲区校核等内容的NAPA Manager程序，在精简程序的同时保证其可以完成多种任务，简练的程序构架也更便于使用者操作，并且有一定的后续开发潜力。

1 理论知识与规范公约归纳分类

为了开发完善且实用的程序，需要了解相关的国际规范公约要求，再结合理论知识，归纳总结其中核心内容，为后续程序开发提供理论基础及研究方向。船舶总体稳性设计以理论知识为基础，涉及船舶静力学、稳性、总纵强度计算、干舷等方面的基本原理[5-6]，需要了解影响船舶各方面性能的主要参数，对船舶主尺度及分舱布置调整带来的影响有清晰的概念。当前船舶总体设计主要遵守的国际公约包括海上人命安全公约 (SOLAS)、国际载重线公约 (ICLL)、国际防止船舶污染公约 (MARPOL)、结构共同规范 (CSR)，以及国际海事组织 (IMO)、 国际船级社协会(IACS)和世界各大船级社各自的规范要求。这些规范有一定的关联性与互补性，在对船舶各方面性能提出要求的同时，也对设计工作有一定的指导意义。

各项校核内容与目标虽然会有较大不同，但校核需要的准备工作及参数往往有很多重合之处，整理后可明确开发程序的目标及需要关注的重点内容，并且可以使整个程序更有条理性和针对性。归纳后的内容如下：

(1) 完整稳性

校核内容：静稳性曲线性能。

计算参数：船体外壳形状，空船质量分布，装载工况。

参考规范：IS CODE 2008。

(2) 破损稳性

校核内容: 破损后船舶浮态及静稳性曲线性能，甲板及进水孔浸没状态。

计算参数：船体外壳形状，舱室分舱布置，空船质量分布，破损前初始工况，破损工况，各类舱室破损渗透率，浸水孔布置。

参考规范：《1966年国际载重线公约》1988年议定书附件B修正案。

(3) 总纵强度

校核内容：各状态下船体梁总纵强度。

计算参数：空船质量分布，装载工况，破损工况(针对URS17)。

参考规范：IACS URS11、URS17、CSR[6-7]。

(4) 可视区域

校核内容：航行时视野盲区。

计算参数：船体外壳形状，船体分舱布置(驾驶室观察点位置)，装载工况及其相应的浮态信息。

参考规范：SOLAS公约第V章第22条驾驶室可视范围，各运河官方文件要求。

(5) 干舷校核

校核内容：船舶夏季干舷。

计算参数：船体外壳形状，甲板以上舱室布置。

参考规范：《1966年国际载重线公约》1988年议定书附件B修正案。

2 NAPA Manager程序开发

2.1 NAPA Manager构架

根据第1节确定的开发方向，结合工作中的常用命令，将各类计算校核内容分为5大类，即：总体信息(General Data)、静水力与舱容数据(Hydrostatics & Capacity)、完整稳性与总纵强度校核(Intact Stability & Strength Calculation)、破损稳性计算(Damage Stability Calculation)以及干舷计算(Freeboard Calculation)。构成第一级目录下的几个文件夹，如图1所示。

图1 Manager第一层级目录

(1) 总体信息。此部分包括船舶基本信息表、船舶总布置视图、空船质量分布表、观测点(即可视区域观测点定义)等几个方面内容，如图2所示。在Manager中加入这几项内容，使设计者可以随时查找船舶基本信息，并且在后续程序中也会用到此处的内容，初次接触本项目的人也可以快速对项目有一个基本认识。

图2 总体信息程序目录

(2) 静水力与舱容数据。此文件夹下包含船舶静水力计算与舱容计算方面的内容，有输出静水力表、静水力曲线、舱容汇总表的子程序，如图3所示。

图3 静水力与舱容数据程序目录

(3) 完整稳性与总纵强度校核。此文件夹中的内容是关于完整稳性与总纵强度计算的，其部分内容如图4所示。第一部分是装载计算汇总表格，第二部分是针对各单一载况的各种校核，包括装载工况列表、完整稳性及强度校核、关于URS17总纵强度曲线图、URS17总纵强度计算列表。

图4 完整稳性与总纵强度校核程序目录

(4) 破损稳性计算。此文件夹中包括ICLL破损稳性计算校核程序。从初始装载工况设置到破损稳性计算，最后输出计算结果。程序设置如图5所示。

图5 破损稳性计算程序目录

(5) 干舷计算。 此部分用于进行干舷校核，只有1个子程序，可以直接运行输出校核结果，如图6所示。

图6 干舷计算程序目录

2.2 程序变量选择

变量是Manager运行时最重要的参数，架起了操作界面与宏程序之间的桥梁。Manager编辑者会根据实际需求，定义若干重要变量，而设计者只需在操作界面设定当前需要的变量，再运行宏程序，即可完成计算校核任务。

第1节归纳了各种校核内容中重要的计算参数，Manager编辑者将理论知识及规范中归纳的计算参数通过变量表格置于Manager程序中，设计者就可以通过对主要参数的设置，控制相应的校核内容。从规范中提取的只是程序中的一部分变量，需要根据实际需要设置更多的变量以满足从参数输入到结果输出的一系列需求。图7为程序对于一些重要全局变量的操作界面，包括船舶基本信息、主尺度及主要计算参数。局部变量会根据需要单独添加到子程序下。

为了使程序可以在单一方案校核与多方案校核中切换，每个方案设置1个控制变量，用于控制其所属方案的变量是否显示，其在操作界面中是一个按键式变量，名称为“Show Project 1/2”。当其被选中时，对应方案中的变量才会被列出。这种对方案的选择方法在后续的宏程序中也会用到。通过变量的选择控制计算内容，最终达到控制输出结果的目的[8-9]。

2.3 程序开发流程图

NAPA Manager的开发过程如图8所示，整合变量、计算函数和NAPA Basic语言编辑宏程序，之后在Manager 界面中创建程序构架，添加宏程序和变量表格，最终完成整个Manager程序的开发。

图 8 NAPA Manager开发流程

3 宏程序开发及输出结果

3.1 空船质量分布表、静水力表和舱容表

在NAPA很多子模块下，关于文本(LIST)结果输出有一套相同的运行逻辑，即在Argument中设定计算参数，利用LQ与TOO命令控制输出的项目与格式，再通过LIST命令进行结果输出。在HYD(静水力)、SM(总布置模型)、LD(装载工况)、CR(完整稳性)、DA(破损稳性)等各模块下，文本输出都会用到这种命令逻辑。通过此模式输出的列表如图9～图11所示。

图9 质量分布表(部分)

图10 多方案静水力表

图11 舱容汇总表(部分)

3.2 完整稳性与总纵强度校核

船舶的每种运营工况都需要进行完整稳性与总纵强度校核。将二者集中到一个程序下进行计算可简化操作步骤。宏程序分为3部分，分别计算并输出图片格式的文件：

(1) 装载工况图。包括船舶中心剖面、甲板平面和内底平面，并画出装载工况及水线位置等。宏程序核心命令为GET @intload(读取装载工况)，SET get tank(读取剖面图)，DRW all、DRW load、DRAW wl、DRW fscale(画出剖面、装载工况、水线、标尺)。

(2) 完整稳性校核列表与静稳性曲线图。根据规范对衡准逐条校核，以下为针对工况初稳心高校核的核心程序命令。

@intreqmgm=0.150

RCR v.gm0.15

@mgm=cr.assign('CRT','ATTV')

@if mgm>intreqmgm then

@intstat2='OK' @else

@intstat2='NOT MET' @endif

通过以上命令获得关于此项衡准校核的规范需求值、实际值和校核结果等3个变量，采用同样方法可以获得针对其他衡准的变量。利用POL命令画出表格，利用TEXT命令将变量写入表格中，即完成了稳性校核表格。静稳性曲线图利用PQ、POO命令控制输出内容与格式。

(3) 剪力弯曲表及曲线图。这部分程序命令与第3.1节类似，都是通过LQ与PQ命令控制列表与图形中的项目，利用TOO与POO命令控制格式，最终通过LIST与PLD输出。有所不同的是用SLIST将文本直接输出为图片格式并存储。

最终利用NAPA中的DOC.MACRO将各部分结果汇总到一个页面中，如图12所示。

图 12 完整稳性与总纵强度计算汇总图

3.3 破损稳性校核

对于ICLL破损稳性计算，在程序中主要分为4个部分，分别包含在图5的4个子文件夹[10]中：一是初始工况列表；二是参照视图确认破损工况并且计算；三是计算后的汇总表格，主要针对船舶是否浸水及对GM值的计算；四是针对每一个破损工况、每一条衡准逐一比对校核并输出结果。

相对于完整稳性，破损稳性校核需要进行计算之后才能输出结果。此部分核心命令为

INIT INI 'Initial condition for ICLL damage'

LOAD @DAMINTACT OK

@DAMDGRT=DA.GROUPMEMBERS('DAM',@DGRT)

@N=RSIZE(DAMDGRT)

@for i=1 n

cal '@ICLI'/'@DAMDGRT(i)'

@next

以上命令利用循环函数，将初始工况与每一个破损工况进行计算。计算后再通过LQ、TOO和LIST命令输出需要的汇总表格与分项表格。

3.4 干舷校核

船舶干舷校核需要依照规范[11]计算初始干舷值和各项干舷修正值，综合考虑各方面影响计算后得到最终干舷值。规范已给出各项修正值的计算公式，利用NAPA中的计算函数编辑针对各项修正值的计算程序，最终输出结果如图13所示。

图13 干舷校核结果页面

4 结 语

基于理论知识与规范公约，开发了适应船舶初期设计、对总体稳性方面内容可快速校核的NAPA Manager程序。该程序可用于在方案设计阶段对不同方案进行快速校核与对比，提高计算效率，帮助设计者更清晰地选择性能更佳的设计方案。程序构架简洁清晰，易于操作。区别于针对单一目的的程序开发，本次开发的Manager系统性较强，应用更加广泛，同时有着一定的后续开发潜力。