盛慶武

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司 上海 201612)

工程船船體濕表面網(wǎng)格NAPA軟件自動(dòng)生成技術(shù)*

盛慶武

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司 上海 201612)

NAPA;鐘型隸屬度函數(shù);縱傾;自動(dòng)劃分

利用NAPA軟件中二次開(kāi)發(fā)工具宏語(yǔ)言,通過(guò)引入模糊數(shù)學(xué)中的鐘型隸屬度函數(shù)和二次函數(shù),開(kāi)發(fā)出對(duì)平浮和帶縱傾狀態(tài)的船體濕表面網(wǎng)格自動(dòng)劃分模塊。該模塊不但可以快速和準(zhǔn)確地劃分船體網(wǎng)格,還可以生成直接被HydroStar軟件調(diào)用的輸入文件,并且通過(guò)控制輸出文件的格式可以生成符合其他水動(dòng)力軟件調(diào)用的船體濕表面網(wǎng)格格式。

0 引 言

在船舶耐波性計(jì)算中,三維勢(shì)流理論目前已成為工程船舶解決耐波性問(wèn)題的重要理論。通常,以三維勢(shì)流理論開(kāi)發(fā)的耐波性計(jì)算軟件需要?jiǎng)澐侄鄠€(gè)不同吃水和縱傾下的船體濕網(wǎng)格,因此,船體濕網(wǎng)格劃分需要快速而準(zhǔn)確地完成,特別是在工程船舶設(shè)計(jì)中,其設(shè)計(jì)周期一般比較短,如果建立的新方法雖然具有很強(qiáng)的理論性,但實(shí)用性差,依然不能在工程船設(shè)計(jì)中占據(jù)一席之地。所以,本文擬依據(jù)工程船舶設(shè)計(jì)的特點(diǎn),建立一套船體濕網(wǎng)格快速和準(zhǔn)確劃分的實(shí)用方法。

NAPA軟件[1]具有比較強(qiáng)的二次開(kāi)發(fā)功能——宏語(yǔ)言,應(yīng)用NAPA中的宏,可以有針對(duì)地編寫(xiě)適合的宏代碼,達(dá)到預(yù)期的功能。

在船舶設(shè)計(jì)中,開(kāi)發(fā)船舶的型線(xiàn)是最早開(kāi)展的工作之一,在初步確定船體主尺度后,通過(guò)改造適合的一條或幾條母型船,應(yīng)用NAPA軟件可以方便、可靠和快速地建立新船的型線(xiàn)模型,進(jìn)而才能開(kāi)展后續(xù)的工作。

在NAPA軟件中型線(xiàn)設(shè)計(jì)完成后,即可以獲得相應(yīng)的型線(xiàn)圖或肋骨型線(xiàn),如果需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格,一般情況下,需要在NAPA輸出的型線(xiàn)圖或肋骨型線(xiàn)圖(大多為DXF文件格式)上處理。這樣處理可以通過(guò)其他的軟件或者AUTOCAD軟件自帶的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言完成。如果能夠直接在NAPA軟件中完成網(wǎng)格自動(dòng)劃分,這自然是非常好的方法,可以省卻各種軟件格式之間的轉(zhuǎn)化。

鑒于NAPA軟件具有比較強(qiáng)的二次開(kāi)發(fā)功能,本文借助NAPA軟件中二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言——宏語(yǔ)言,在已建成的NAPA型線(xiàn)模型基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)出可以直接生成耐波性計(jì)算軟件HydoStar要求的網(wǎng)格形式,輸出的網(wǎng)格形式文件可以直接被HydroStar軟件[2]調(diào)用。這種網(wǎng)格劃分方法可以非常簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確和快速地完成船體濕表面網(wǎng)格的自動(dòng)生成工作,并且網(wǎng)格的精細(xì)和疏密可以任意控制:既可以達(dá)到船體耐波性計(jì)算需要的網(wǎng)格數(shù)量:幾百塊至幾千塊,還可以達(dá)到計(jì)算流體力學(xué)諸如FLUENT等的幾萬(wàn)塊甚至十幾萬(wàn)塊的網(wǎng)格數(shù)量等。因此可認(rèn)為這種方法不失為比較好的船體濕網(wǎng)格劃分方法。

船舶在實(shí)際航運(yùn)的工況很少有平浮狀態(tài),這在船舶的典型裝載手冊(cè)中可以看出,該文件需要由船級(jí)社審查。在建立好各種裝載工況后,通過(guò)船舶不同裝載工況下的耐波性能計(jì)算,可以更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)該船的耐波性的優(yōu)劣,更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)該船錨泊定位能力,這樣可以從船舶耐波性能的角度比較便捷地指導(dǎo)船舶設(shè)計(jì)。應(yīng)用本文的方法,可以非常方便地對(duì)已計(jì)算的各種裝載工況進(jìn)行網(wǎng)格劃分,這樣各種裝載工況相當(dāng)于船體吃水和縱傾的函數(shù)。如N個(gè)工況,就有N個(gè)吃水和縱傾,NAPA中很容易讀出這些量的數(shù)據(jù),通過(guò)一個(gè)循環(huán)語(yǔ)句,在NAPA宏語(yǔ)言程序中運(yùn)行一次,就可獲得所有裝載工況下的網(wǎng)格劃分,真正做到了快速和準(zhǔn)確的效果。

本文介紹了2 400 t起重船帶平浮狀態(tài)和縱傾(艉傾和艏傾)狀態(tài)下的網(wǎng)格劃分的原理和方法,使用NAPA軟件中的宏語(yǔ)言開(kāi)發(fā)網(wǎng)格自動(dòng)劃分模塊后,可以方便、快速和準(zhǔn)確地研究船體耐波性能和錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 NAPA在處理船體線(xiàn)型的方法

NAPA軟件在處理船體型線(xiàn)上是先建立若干條基本控制線(xiàn):如平邊線(xiàn)、平底線(xiàn)、首尾輪廓線(xiàn)、平行中體首尾肋位線(xiàn)、尾封板線(xiàn)等,然后通過(guò)其他控制線(xiàn):如肋骨線(xiàn)、水線(xiàn)、縱剖線(xiàn)或者斜剖線(xiàn)等輔助控制線(xiàn)組成船體的骨架,然后通過(guò)使用曲線(xiàn)插值成曲面的方法建立整個(gè)船體曲面,也就是由點(diǎn)即線(xiàn),由線(xiàn)到面的方法。

在NAPA軟件中,使用三次樣條對(duì)各控制點(diǎn)進(jìn)行擬合:三次樣條插值曲線(xiàn)的方法有兩種:M1是曲線(xiàn)的曲率不連續(xù),即二次微分;M2是更連續(xù)的曲率。圖1顯示了兩種樣條插值的方法?？梢钥闯?M1是按各段進(jìn)行分段擬合曲線(xiàn),而M2則所有的點(diǎn)均用以擬合曲線(xiàn)。

圖1 NAPA軟件中樣條擬合的兩種方法

由于NAPA軟件處理船體曲面的方法是通過(guò)控制線(xiàn)形成光順的曲面?？梢?jiàn)NAPA軟件處理船體型線(xiàn)具有三維性,這樣獲得的三維船體曲面可以很方便地剖出各種剖面線(xiàn):橫剖線(xiàn)、縱剖線(xiàn)、水線(xiàn)面和斜剖線(xiàn)。由于NAPA軟件在光順后的船體曲面上可以剖出任何位置的剖面線(xiàn),因此這樣的處理方法可以獲得較精確的船體網(wǎng)格線(xiàn)。圖2為NAPA的船體編輯器(HULL EDITOR)里的一個(gè)模型。圖3為該船體幾何窗口(GEOMETRY WINDOW)下顯示的船體三維圖形。

圖2 NAPA船體編輯器里的一個(gè)模

圖3 船體幾何窗口顯示的船體三維圖形

由圖3可以看出,對(duì)于已經(jīng)在NAPA模型中生成的三維船體模型,可以對(duì)其任意切割相交成橫剖線(xiàn)、縱剖線(xiàn)和斜剖線(xiàn),本文正是利用NAPA軟件的這個(gè)特點(diǎn),依托NAPA軟件中二次開(kāi)發(fā)宏語(yǔ)言,對(duì)船體劃分網(wǎng)格,原則上可以任意劃分,不僅可以劃分平浮吃水,而且還可以考慮船體縱傾的影響,劃分成帶縱傾的船體網(wǎng)格[4]。為了能更充分利用HydroStar軟件,經(jīng)過(guò)合理的開(kāi)發(fā),可以使生成的網(wǎng)格文件直接被HydroStar軟件調(diào)用,不僅可以大大節(jié)省劃分網(wǎng)格的時(shí)間,而且還可以保證網(wǎng)格劃分的精度。

2 平浮吃水船體網(wǎng)格劃分

由上節(jié)可知,對(duì)于NAPA軟件,如果在縱向給定坐標(biāo)可以獲得該處的橫剖線(xiàn)(如圖4所示),圖中x1-x12分別為x=1m至x=12m,且間隔為1m處的橫剖線(xiàn)。

由于服務(wù)對(duì)象身份及年齡的多樣性，比如學(xué)生、社會(huì)在職人士等，其閑暇時(shí)間是不用的。因此，在課程的時(shí)間安排上要做到靈活，能夠最大程度上滿(mǎn)足不同群體的需求。

圖4 船體幾何窗口下船體橫剖線(xiàn)

船體網(wǎng)格劃分依據(jù)NAPA軟件船體編輯器里的船體建立的思想:將船體也分成船首、船舯和船尾三部分分段,分別對(duì)每部分分段進(jìn)行劃分。

在NAPA編寫(xiě)宏時(shí),設(shè)定船首分段的橫剖面數(shù)為NF、船舯分段的橫剖面數(shù)NM和船尾分段的橫剖面數(shù)NA。在NAPA宏語(yǔ)言中,有一個(gè)PLENGTH語(yǔ)句,可以獲得曲線(xiàn)上給定長(zhǎng)度的點(diǎn),進(jìn)而獲得該點(diǎn)的三個(gè)軸的坐標(biāo)。眾所周知,波浪能量隨水深的變化成指數(shù)級(jí)衰減,所以近水面的網(wǎng)格要求細(xì)些,遠(yuǎn)離水面網(wǎng)格可劃分粗些,因此,對(duì)于任一已剖出的橫剖線(xiàn),采取如下的方法來(lái)選取其上的點(diǎn)作為劃分網(wǎng)格的點(diǎn):

設(shè)該橫剖線(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng),這可以由NAPA軟件中PLENGTH語(yǔ)句直接獲得,N為劃分該橫剖線(xiàn)的網(wǎng)格點(diǎn),ΔLi為橫剖線(xiàn)上第i段的劃分的長(zhǎng)度,它可表示為:

對(duì)于橫剖線(xiàn)第i-1段的劃分的長(zhǎng)度,i=2表示起點(diǎn)處橫剖線(xiàn)劃分的長(zhǎng)度,i=N+1表示終點(diǎn)處橫剖線(xiàn)劃分的長(zhǎng)度?？梢钥闯鰴M剖線(xiàn)上劃分的長(zhǎng)度以(2·i-1)/N/N數(shù)值遞增,這樣做也可以認(rèn)為沿水深方向逐漸增大,在水線(xiàn)面處的網(wǎng)格尺寸最小。圖5為船體某橫剖線(xiàn)劃分圖。

圖5 船體某橫剖線(xiàn)劃分圖

眾所周知,通常船舶的首尾處線(xiàn)型變化較大,而在船的中間部位線(xiàn)型不變或變化很緩,因此,縱向網(wǎng)格劃分時(shí)通常首尾部網(wǎng)格密些,船的中間部位保持相同較疏的網(wǎng)格。如何在NAPA中實(shí)現(xiàn)呢?

本文應(yīng)用模糊邏輯控制理論中模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)[3]—鐘型隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)船體網(wǎng)格數(shù)沿縱向的變化。

一般的鐘型隸屬度函數(shù)表達(dá)式為:

其中:參數(shù)x指定變量的論域范圍,a、b和c分別為指定鐘型函數(shù)的形狀,y為鐘型隸屬度函數(shù)。通過(guò)選取不同的a,b,c,可以適應(yīng)不同的船體沿船長(zhǎng)方向的網(wǎng)格劃分。

以下以2 400 t起重船船體濕表面網(wǎng)格劃分為例說(shuō)明應(yīng)用NAPA軟件對(duì)船體網(wǎng)格劃分的方法。

設(shè)船長(zhǎng)為96m,這樣艏部分段長(zhǎng)度為10 m,即艏部距平行中體前段的距離為10 m;艉部分段長(zhǎng)度為12m,即艉部距平行中體后段的距離為12m;舯部分段為74m。擬在縱向使用42條橫剖線(xiàn):艉部分段在0～12m間用6條橫剖線(xiàn)劃分成5段,艏部在86 m～96m間用5條橫剖線(xiàn)劃分成4段,中間12 m～86 m用31條橫剖線(xiàn)劃分成30段。這樣可選擇a=44、b=8、c=48,則鐘型隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)如圖6所示。

因?yàn)楸敬翰靠v向范圍是從0～12m,從圖6可知鐘型隸屬度函數(shù)y的值不為1,所以應(yīng)按照此函數(shù)來(lái)劃分0～12m范圍內(nèi)的間隔

這里n=5,由此公式則可將0～12m范圍內(nèi)分隔成表1所示。如果想加密縱向網(wǎng)格數(shù),則取n=11,如表2所示。

圖6 鐘型隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)

表1 艉部0～12 m范圍內(nèi)的橫剖線(xiàn)位置(分隔為5段)

表2 艉部0～12m范圍內(nèi)的橫剖線(xiàn)位置(分隔為11段)

從表1和表2中可以看到,通過(guò)選擇不同的n,可對(duì)艉部劃分為不等間距;同樣,可以將12 m～86m區(qū)間及86 m～96 m區(qū)間劃分成不同間隔的縱坐標(biāo)值。

對(duì)于艉封板的處理,也可以通過(guò)對(duì)艉部的不等距處理而獲得相應(yīng)的網(wǎng)格。圖7為該船艉封板的橫剖線(xiàn)劃分圖。圖中粗實(shí)線(xiàn)為艉封板的邊界線(xiàn),按照一定的縮小比例形成幾個(gè)橫剖線(xiàn)。最后的橫剖線(xiàn)收縮成一點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)NAPA軟件宏語(yǔ)言的處理,可以很輕松地劃分出任意吃水和任意網(wǎng)格數(shù)的船體網(wǎng)格,只要給定橫剖線(xiàn)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)以及總的橫剖線(xiàn)數(shù)及艏艉橫剖線(xiàn)數(shù),并對(duì)鐘型隸屬度函數(shù)中的a、b、c選取適合的值,即可劃分網(wǎng)格成功。圖8和圖9為本船在4.357 m吃水下,兩種不同網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格?？梢钥闯?對(duì)于選取不同的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)以及總的橫剖線(xiàn)數(shù)及艏艉橫剖線(xiàn)數(shù),可以劃分出任意精度的船體網(wǎng)格。

圖7 艉封板的橫剖線(xiàn)劃分圖

3 縱傾狀態(tài)下船體網(wǎng)格劃分

圖8 1 008塊船體網(wǎng)格劃分

圖9 1 728塊船體網(wǎng)格劃分

通常情況下,在船舶耐波性性能計(jì)算中,一般只考慮平浮吃水下的網(wǎng)格劃分,很少考慮到縱傾的影響。通常舶舶典型裝載工況的浮態(tài)很少有平浮狀態(tài),對(duì)于工程船舶,其縱傾可能會(huì)很大,因此有必要考慮縱傾狀態(tài)與平浮狀態(tài)下對(duì)船體六個(gè)自由度的耐波性能影響程度,這方面的工作將在下一節(jié)展開(kāi)。因此,本節(jié)以2 400 t起重船縱傾狀態(tài)下船體網(wǎng)格劃分為例闡述縱傾狀態(tài)下船體網(wǎng)格劃分方法。

縱傾狀態(tài)下船體網(wǎng)格劃分同平浮吃水船體網(wǎng)格劃相似,差別是縱傾狀態(tài)下船體網(wǎng)格劃分需要對(duì)平浮吃水下船體做坐標(biāo)變換,變換成縱傾吃水的狀態(tài),因?yàn)榇翱v傾狀態(tài)的艏艉吃水不一樣,所以由需要在船體平浮狀態(tài)下船體旋轉(zhuǎn)一個(gè)縱傾角?？v傾坐標(biāo)變換圖如圖10所示:

圖10 縱傾坐標(biāo)變換圖

圖10中X-O-Z為平浮吃水時(shí)的坐標(biāo)系,X1-O1-Z1為縱傾Φ角度時(shí)的坐標(biāo)系,兩坐標(biāo)系變換關(guān)系為:

其中,x1,z1為縱傾Φ角度時(shí)的坐標(biāo),x,z為平浮吃水時(shí)的坐標(biāo)。

圖11～圖13分別為平浮吃水、艏傾角為Φ時(shí)和艉傾角為Φ時(shí)的網(wǎng)格劃分圖(三種情況下的排水量是相同的,所劃分的網(wǎng)格數(shù)相同)。

圖11 平浮吃水時(shí)的船體網(wǎng)格劃分圖

圖12 艏傾角為時(shí)的船體網(wǎng)格劃分圖

圖13 艉傾角為時(shí)的船體網(wǎng)格劃分圖

從圖11～圖13中可以看出,使用NAPA軟件二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言——宏語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出的網(wǎng)格劃分模塊,可以迅速準(zhǔn)確地劃分出平浮吃水和縱傾狀態(tài)下艏、舯和艉部以及沿橫剖線(xiàn)方向上不同精度的船體網(wǎng)格。如某鋪管起重船的典型裝載工況一共有32個(gè),其吃水在5m～8m之間,縱傾狀態(tài)包括了艏傾和艉傾,借助于NAPA軟件中NAPA BASIC下的循環(huán)語(yǔ)句For和條件判斷語(yǔ)句IF等函數(shù),以及LD SERVICE下的函數(shù)LD.QNT等,只需要在NAPA軟件中運(yùn)行一次(不需要任何人工干預(yù)),在目前普通配置的微機(jī)中,不超過(guò)兩分鐘,則32個(gè)典型裝載工況的船體網(wǎng)格劃分文件已經(jīng)完成,其生成的文件可直接被HydroStar軟件調(diào)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本節(jié)運(yùn)用NAPA軟件對(duì)船體網(wǎng)格快速劃分的方法的建立,可以看出,用這種方法劃分船體網(wǎng)格時(shí)非常方便、快速和準(zhǔn)確,劃分網(wǎng)格的精度可控。原則上可以劃分任意吃水下和任意縱傾下和任意精度的船體網(wǎng)格,本文只是對(duì)工程船駁船艏艉作了劃分,對(duì)于有球首和帶螺旋槳的尾部來(lái)說(shuō),這種劃分也是適用的,只是在球首和尾部線(xiàn)型分離處做分段處理(限于篇幅,這里就不再累述了),最后仍然可用本文的方法方便、快速和準(zhǔn)確地劃分出船體網(wǎng)格。本方法的建立,為工程船耐波性設(shè)計(jì)提供了必要的手段和便捷的工具。

[1] NAPA MANUALS[S].2009.2.

[2] BUREAU VERITAS.HYDROSTAR FOR EXPERTS USER MANUAL[R].March 2009.

[3] 李國(guó)勇.智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].電子工業(yè)出版社,2005.

[4] 劉應(yīng)中,繆國(guó)平.船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論[M].上海交通大學(xué)出版社,1987.

[5] 張志軍.NAPA概述及NAPA船體模型的建立[J].船舶設(shè)計(jì)通訊,2003.

[6] 王彩蓮.淺談船舶應(yīng)用軟件NAPA[J].船舶,2003.

Automatic Grid Generation by NAPA for the Hull Wetted Surface of a Work boat

Sheng Qingwu

NAPA;bell function;longitudinal trim;automatic plotting

By using the macro-language,which is the secondary development tool in NAPA,the bell function and quadratic function in fuzzy ma the matics are introduced into the automatic grid distribution module for wetted surface of ships on even keel or in trim.This module can not only plot the grid rapidly and exactly,butal so generate the input file that can be called directly by Hydro Star,as well as control the output format so as to generate variou shull wetted surface grid formats that can be called by other hydrodynamic software.

U 674.3

A

1001-9855(2010)06-0053-05

2010-08-23

盛慶武(1971-),男,漢族,博士,高級(jí)工程師,主要從事船舶設(shè)計(jì)及流體性能計(jì)算研究工作。