史戰(zhàn)新

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所, 湖北 武漢 430064)

基于PRO/E模型的潛器穩(wěn)性計(jì)算

史戰(zhàn)新

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所, 湖北 武漢 430064)

潛器穩(wěn)性校核的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確確定潛器的吃水線及浮心、重心位置。本文基于船舶穩(wěn)性計(jì)算理論，結(jié)合潛器PRO/E三維模型，探索一種利用行為建模技術(shù)計(jì)算潛器穩(wěn)性的方法。與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，行為建模自動(dòng)迭代計(jì)算方法的效率與準(zhǔn)確性均有所提高，也為船舶其他CAD三維軟件穩(wěn)性計(jì)算提供參考。

潛器 PRO/E行為建模 穩(wěn)性

1 概述

潛器在外力作用下偏離其平衡位置，而當(dāng)外力消除后，船舶自身具有恢復(fù)到原來平衡位置的能力稱為穩(wěn)性。船舶是否具有足夠的穩(wěn)性是船舶是否適航的重要條件，潛器穩(wěn)性校核是潛器航行及作業(yè)的重要安全保證。與水面船舶相比，潛器排水外形不規(guī)則，很多系統(tǒng)設(shè)備零散布置于耐壓殼體外，導(dǎo)致水線面隨吃水變化大，水線面輪廓不規(guī)則，形心難以采用傳統(tǒng)水面船舶的型值表方法計(jì)算，采用積分計(jì)算大量零散處置系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的浮力費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文提出利用PRO/E軟件對(duì)潛器排水部件進(jìn)行簡化三維建模，基于船舶靜穩(wěn)性曲線等排水量計(jì)算理論，利用PRO/E的行為建模功能實(shí)現(xiàn)潛器任意載重情況下吃水線確定和穩(wěn)性的快速計(jì)算。

2 潛器穩(wěn)性計(jì)算原理

由于潛器的不規(guī)則排水外形，致使水線面形狀不連續(xù)，且不同吃水下水線面形心及慣性矩變化大，潛器在水中橫傾或縱傾的等體積傾斜軸線不再通過正浮水線面的漂心，浮心的移動(dòng)曲線不再是圓弧，其橫搖或縱搖的穩(wěn)心隨傾角而變動(dòng)，類似水面船舶的大傾角穩(wěn)性計(jì)算工況。因此潛器的穩(wěn)性嚴(yán)格來講只能采用船舶大傾角穩(wěn)性計(jì)算原理取得，即求出在不同傾斜水線面下的靜穩(wěn)性臂(浮心與重心橫向距離)，相關(guān)規(guī)范如DNV船級(jí)社也規(guī)定了靜穩(wěn)性臂的數(shù)值范圍。

船舶靜穩(wěn)性曲線計(jì)算有變排水量計(jì)算法和等排水量計(jì)算法兩種[1]。其中變排水量計(jì)算法是求得不同排水體積、不同橫傾角時(shí)浮力作用線至重心的距離，從而得到不同排水量下的靜穩(wěn)性曲線。等排水量計(jì)算法的基本原理是：首先確定各傾角的等體積傾斜水線，然后分別計(jì)算這些水線下的浮心位置，從而獲得重心與浮心的距離即復(fù)原力臂。

3 傳統(tǒng)水面船舶計(jì)算步驟及缺點(diǎn)

傳統(tǒng)船舶穩(wěn)性計(jì)算基于船舶小傾角和大傾角理論假設(shè)分為小傾角穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性。

對(duì)于小傾角穩(wěn)性是利用船舶的型值表確定吃水線，然后根據(jù)水線面慣性矩、排水體積、浮心高、重心高計(jì)算初穩(wěn)性。

對(duì)于大傾角穩(wěn)性變排水量法是利用型值表畫出船舶乞氏橫剖面，計(jì)算一系列不同水線面的浮心位置和排水體積，從而得到穩(wěn)性橫截曲線和靜穩(wěn)性曲線，最后根據(jù)給定的排水量和重心高度篩選計(jì)算符合的靜穩(wěn)性曲線。等排水量法根據(jù)給定的排水量計(jì)算吃水線，再利用公式得到靜穩(wěn)性曲線。

然而傳統(tǒng)方法都無法避免根據(jù)型值表計(jì)算浮心、浮力的誤差，以及如何準(zhǔn)確找到吃水線，使得浮心與重心橫向與縱向坐標(biāo)重合，浮力與船舶質(zhì)量一致。這是一個(gè)反復(fù)迭代計(jì)算的過程，手工計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力，誤差也不可避免[2]。對(duì)于水面船舶來說，由于船殼外板規(guī)則且占排水體積比重大，附體少，達(dá)到0.1%誤差要求容易實(shí)現(xiàn)；然而對(duì)于潛器來講，附體較多，排水形狀極其不規(guī)則，傳統(tǒng)水線面計(jì)算將費(fèi)時(shí)更多，誤差很難控制。

目前，各船舶穩(wěn)性專業(yè)計(jì)算軟件如freeship、ESTAB、CCS船舶靜力學(xué)穩(wěn)性計(jì)算軟件等主要針對(duì)水面船舶，具有一定局限性，且計(jì)算軟件針對(duì)性太強(qiáng)，只適用某幾種船型，與現(xiàn)行船舶規(guī)范銜接不合理，計(jì)算軟件穩(wěn)性核算時(shí)需要錄入的數(shù)據(jù)，規(guī)范上沒有強(qiáng)制要求，如質(zhì)量重心、艏艉端點(diǎn)、剖面底線數(shù)等[3]需要復(fù)核人員量取和估算，難免造成偏差和誤差。

4 PRO/E行為建模簡介

PRO/Engineer是美國PTC公司開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于特征設(shè)計(jì)的實(shí)體造型三維集成化軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、船舶領(lǐng)域。在常用的實(shí)體造型方法中，由于邊界表達(dá)法采用了自由曲面造型技術(shù), 可以構(gòu)造具有復(fù)雜曲面外型的浮體模型, 因而通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等實(shí)體的基本構(gòu)造方法以及實(shí)體模型的布爾運(yùn)算, 可以方便地建立各種復(fù)雜的潛器模型。

行為建模技術(shù)使工程師面對(duì)不斷變化的要求，進(jìn)行高度智能優(yōu)化設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在[4]：

(1) 按照產(chǎn)品的各種工程規(guī)范捕捉設(shè)計(jì)信息和過程信息，將規(guī)范定義為特征；

(2) 采取目標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式，優(yōu)化產(chǎn)品的尺寸參數(shù)，并可捕捉多個(gè)目標(biāo)和需求變化，解決相互沖突的目標(biāo)問題；

(3) 具有開放性可擴(kuò)展環(huán)境，提供與其他軟件的無縫鏈接設(shè)計(jì)功能。

Behavioral Modeling功能是PRO/Engineer的一個(gè)功能擴(kuò)展模塊，作為參數(shù)化設(shè)計(jì)中的分析工具，其主要作用是設(shè)置參數(shù)變量范圍，建立分析特征，通過改變參數(shù)來改變模型的結(jié)構(gòu)外形，從而使設(shè)計(jì)過程更加智能化，更有效率，主要功能如下[5]：

(1) 獲得基于模型測量和分析的特征參數(shù)；

(2) 建立基于模型測量和分析的幾何實(shí)體；

(3) 創(chuàng)建新的測量類型,滿足特定應(yīng)用要求；

(4) 進(jìn)行靈敏度分析,估計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)改變后,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響；

(5) 對(duì)模型進(jìn)行可行性分析和優(yōu)化,獲得最佳設(shè)計(jì)參數(shù),滿足產(chǎn)品要求。

其中敏感性分析適合于分析單個(gè)尺寸變量變化范圍內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)值的變化,可輸出變量和目標(biāo)值之間的關(guān)聯(lián)變化圖表。

可行性優(yōu)化分析適合于多個(gè)變量和約束條件下尋找目標(biāo)解決方案或最優(yōu)目標(biāo)值，其中梯度投影GDP搜索算法適合于在接近目標(biāo)的同時(shí)產(chǎn)生一系列滿足限制的中間設(shè)計(jì)，使用當(dāng)前模型條件作為起始點(diǎn)。MDS算法使用多目標(biāo)設(shè)計(jì)研究算法來確定優(yōu)化的最佳起始點(diǎn)，可在“最大迭代次數(shù)”(Max Ite-rations) 字段中指定要計(jì)算的起始點(diǎn)個(gè)數(shù)。此種方式更容易在設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸范圍內(nèi)找到整體最優(yōu)設(shè)計(jì)，但速度慢于GDP算法。

多目標(biāo)設(shè)計(jì)是研究能夠幫助查找滿足多個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計(jì)目標(biāo))的優(yōu)化解決方案，采用樣本清單的方式列出所有可能方案，然后根據(jù)目標(biāo)要求過濾、篩選出需要的可行性方案。

因此應(yīng)用PRO/E行為建模技術(shù),設(shè)置約束條件，進(jìn)行水面線迭代計(jì)算，能快速、準(zhǔn)確地找到吃水線，從而快速求解潛器靜穩(wěn)性臂。

5 PRO/E軟件穩(wěn)性計(jì)算步驟

5.1 模型簡化及假定重心

(1) 根據(jù)作業(yè)工況，確定潛器的排水零部件，將耐壓體殼體變?yōu)閷?shí)體特征，建立排水零部件三維模型，設(shè)置組件密度為水密度，如圖1所示。

(2) 根據(jù)已知的重心位置，建立潛器相對(duì)坐標(biāo)系，在模型中建立重心的點(diǎn)特征。

圖1 原始模型及假定重心

5.2 動(dòng)態(tài)水線面假定

為了建立一個(gè)可以任意角度和潛器相交的傾斜水線面，利用初穩(wěn)性水線面傾斜規(guī)律，盡快找到滿足要求的水線面。

(1) 假定一個(gè)水平吃水線面，建立假定水平吃水線剖面分析特征，獲得水線面形心(漂心)特征，如圖2所示。

(2) 建立通過水平吃水線面形心(漂心)的縱向中心軸。

(3) 建立通過縱向中心軸的橫傾水線面。

(4) 建立橫傾水線面的剖面分析特征，獲得水線面形心(漂心)特征。

(5) 建立通過橫傾水線面的形心(漂心)的橫向中心軸。

(6) 建立通過橫向中心軸的縱傾水線面即最終的傾斜水線面。

(7) 建立垂直于縱傾水線面的垂直面。

(8) 以最終的縱傾水線面為草繪平面，建立拉伸剪切特征，剪切后剩余部分為水下排水部件。拉伸特征草繪面積盡量是潛器水平投影面積的2倍，以保證大傾角下依舊可以完整剪切潛器模型，如圖3所示。

(9) 以最終縱傾水線面的法向?yàn)閆軸,最終縱傾水線面上沿潛器縱向?yàn)閄軸,橫向?yàn)閅軸,建立水線面坐標(biāo)系(坐標(biāo)原點(diǎn)任意)。

圖3 水線面剪切特征及剪切后水面線坐標(biāo)系

從以上步驟中建立的最終傾斜水線面的構(gòu)造參數(shù)包括3個(gè)：水平吃水線的高度值；橫傾水線面的橫傾角度值；縱傾水線面的縱傾角度值。這三個(gè)變量可以確定滿足質(zhì)量及質(zhì)心約束的任意水線面。

5.3 建立分析特征

(1) 建立剪切后的結(jié)構(gòu)重量分析特征，獲得排水結(jié)構(gòu)質(zhì)心(浮心)位置，如圖4所示。

圖4 浮心位置分析

(2) 在水線面坐標(biāo)系下，測量排水部分結(jié)構(gòu)浮心的橫向坐標(biāo)和縱向坐標(biāo)，以及給定重心的橫向坐標(biāo)和縱向坐標(biāo)，并建立分析特征，如圖5所示。

圖5 浮心重心在水線面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值

(3) 建立關(guān)系類型的分析特征，創(chuàng)建如浮心、重心橫縱坐標(biāo)差值參數(shù)，給定質(zhì)量與排水量之間的差值。如上幾步建立了排水量、浮心位置特征、重心位置特征，為了實(shí)現(xiàn)浮心和重心在水線面坐標(biāo)系下X、Y值一致以及質(zhì)量與排水量一致，建立他們的差值特征參數(shù)如圖6所示。

圖6 排水量、重心、浮心坐標(biāo)比較分析特征

5.4 水線面確定

進(jìn)入菜單欄分析模塊中的可行性/優(yōu)化程序,選擇可行性模塊選項(xiàng),設(shè)置約束及變量。采用GDP或MDS可行性分析方法, 在設(shè)計(jì)約束欄將浮心與重心坐標(biāo)值差參數(shù)設(shè)置為0，排水量與質(zhì)量差值設(shè)置為0，如圖7所示。

圖7 水線面可行性分析

經(jīng)過迭代分析，在運(yùn)行記錄欄出現(xiàn)“已找到可行解決方案”，并在模型上顯示符合要求的模型變量參數(shù)，水線面參數(shù)可行性分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 水線面可行性分析結(jié)果

5.5 水面初穩(wěn)性

6 靜穩(wěn)性臂曲線求解

根據(jù)前文所述，潛器適用于大傾角理論求解穩(wěn)性。為了尋找給定排水量下的靜穩(wěn)性臂曲線即不同傾斜水線下浮心與重心的距離，基于上文PRO/E可行性分析方法，在吃水線坐標(biāo)系下，約束排水量等于潛器質(zhì)量，浮心、重心縱向位置重合，設(shè)計(jì)變量為吃水高度，水線面縱傾角，依次變換水線面的橫傾角度，計(jì)算記錄浮心與重心的橫向位置差，最后作圖畫出靜穩(wěn)性臂曲線。具體步驟如下：

(1) 設(shè)置水線面橫傾角度為0°或其他初始角度；

(2) 進(jìn)入關(guān)系模塊，設(shè)置約束條件和尺寸變量并進(jìn)行關(guān)系式校驗(yàn)，關(guān)系式設(shè)置如圖9所示；

圖9 建立敏感性分析關(guān)系式

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(3) 應(yīng)用敏感性分析功能，尺寸變量為橫傾角，變化范圍為0°～60°[6]，輸出變量為浮心與重心的橫向位置差，即得不同橫傾角下的靜穩(wěn)性臂曲線，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)圖線處理，如圖10、圖11所示。

圖10 PRO/E靜穩(wěn)性臂曲線輸出

圖11 Excel靜穩(wěn)性臂曲線輸出

7 結(jié)論

本文基于船舶穩(wěn)性計(jì)算理論，應(yīng)用PRO/E行為建?？尚行耘c敏感性分析方法針對(duì)潛器三維模型的浮態(tài)與穩(wěn)性進(jìn)行智能化優(yōu)化分析。由于迭代計(jì)算自動(dòng)進(jìn)行，浮心與重心坐標(biāo)差值、排水量與重量差值收斂約束均為零，因此浮型與穩(wěn)性計(jì)算效率與精度均比傳統(tǒng)水面船舶計(jì)算提高。本文水線面、靜穩(wěn)性臂求解思路也可作為其他CAD軟件計(jì)算的參考。

[1] 盛振邦,劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2006,72-78.

[2] 徐建紅.基于數(shù)字型值表的船舶浮態(tài)穩(wěn)性計(jì)算系統(tǒng)研究[D].大連:大連海事大學(xué),2007.

[3] 張化英.利用計(jì)算軟件進(jìn)行穩(wěn)性復(fù)核需要注意的幾個(gè)問題[J].中國水運(yùn)：下半月,2011,12：92.

[4] 郭仁生.基于Matlab和Pro/engineer優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[5] 魏艷春,蹇興東,史慶春.pro/e的行為建模技術(shù)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2006,12:25-27.

[6] DNV Ship rules Pt.3 Ch.3.Hull Equipment and Safety[S].2011.

The PRO/E Model-based Stability Calculation of Submarine

SHI Zhan-xin

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan Hubei 430064, China)

Determining the positions of waterline, buoyant centre and barycenter are the basics of submarine stability calculation. Based on the calculation theory of submarine stability, and combined with PRO/E 3D model of submarine, a new calculation method of submarine stability is explored by using the behavioral modeling technology. Compared with traditional calculation method, this automatism iterative calculation method is more efficient and accurate. The results can provide a reference for other stability calculation with CAD 3D software.

Submarine PRO/E behavioral modeling Stability

史戰(zhàn)新(1983-)，男，工程師。

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