張明霞， 李 崗， 趙正彬， 秦帥帥

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

目前運營的船舶一般會設(shè)置壓載水艙，并在一定情況下注入壓載水。船舶在空載時注入一定量壓載水可調(diào)整船舶浮態(tài)、抵抗風(fēng)浪、保證足夠的艉吃水等。由此可見，壓載水對船舶安全航行起著非常重要的作用，但是壓載水的排放也對海洋環(huán)境和人類健康造成了嚴重威脅，已經(jīng)被國際海事組織(IMO)宣布為海洋面臨的“四大危害”之一[1]。

壓載水對環(huán)境及人類健康的危害是無法估量的，為此IMO出臺相關(guān)規(guī)范控制壓載水的排放，降低壓載水帶來的危害。2014年，IMO通過了《國際船舶壓載水和沉積物管理與控制公約》，2016年9月8日，芬蘭加入了壓載水公約，公約正式達到生效條件，并于2017年9月8日正式實施。為滿足規(guī)范要求，需對壓載水進行處理，目前正在研究的處理方法[2]主要有：物理處理法、化學(xué)處理法以及生物處理法。但是，目前的壓載水處理方法各有利弊，很難完全消除壓載水帶來的危害。

國外有些國家創(chuàng)新性地提出無壓載水船舶，典型的船型有日本的V型無壓載水船[3]、美國的貫通流船體[4]、荷蘭的單一結(jié)構(gòu)船體[5]。V型無壓載水船采用V型船底，并同時增大船寬，實現(xiàn)空載無壓載水的目的。貫通流船體采用水流箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓載水艙。當(dāng)船舶空載航行時打開水流箱系統(tǒng)的前后密封蓋，此時水流箱是個開放的系統(tǒng)，海水從船首流入，從船尾流出，減小船體浮力，增加吃水；當(dāng)船舶滿載航行時關(guān)閉密封蓋，將海水排出，水流箱處于密封狀態(tài)為船提供浮力。單一結(jié)構(gòu)船體在船底部設(shè)置一個向后開放的內(nèi)凹，這種結(jié)構(gòu)能夠增大船體在空載時的吃水，缺點是在相同的吃水下，與傳統(tǒng)的船型相比具有較大的濕表面積。

國內(nèi)有些高校已開始對上述3種無壓載水船設(shè)計方案進行研究，并且衍生了組合船型的設(shè)計方案，如貫通流系統(tǒng)與V型船身的組合船型[6]、V型船身與單一結(jié)構(gòu)體組合船型[7]、雙尾鰭船型與單一結(jié)構(gòu)船身的組合船型[8]等。韋俊凱等[9-10]提出基于橫剖面面積曲線不變的V型無壓載水船設(shè)計方法，利用AutoCAD二次開發(fā)完成型線快速設(shè)計，但對于三維模型文中只研究了三維線框圖，三維實體模型還有待研究。陳偉華[11]基于母型船的中部主要橫剖面面積不變，保證排水量不變，通過改變船寬、船長、型深生成系列V型船身方案，利用NAPA生成系列方案型線。這種型線設(shè)計方法能夠變換出較多的船型方案，但對母型船的改動較大，NAPA生成系列方案型線的工作量大。官小偉[12]以35 000 t散貨船為研究對象，基于中部橫剖面面積不變的原則，得出底傾角、船寬、設(shè)計吃水等3個變量之間的關(guān)系，并得到60種設(shè)計方案，但文中并未對型線的生成進行研究，若要手動繪制費時費力，且效果不好。王琳等[13]基于橫剖面面積曲線不變原理，提出確定船底傾角的方法和非平行中體部分型線變換新方法，得到滿足無壓載水要求的最小船底傾角，該方法能初步確定最小船底傾角，但是并不一定是最佳船型，還要對其他船底傾角下的方案進行研究。

V型無壓載水船的型線設(shè)計主要基于母型船的橫剖面面積不變，即設(shè)計船與母型船每一站處設(shè)計水線下的橫剖面面積相等。本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，改進了V型無壓載水船的型線設(shè)計方法，同時研究設(shè)計船型線和三維模型的快速生成。在前期船舶設(shè)計工作中，實現(xiàn)設(shè)計船型線和三維模型的快速生成，能夠提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

1 型線設(shè)計方法

V型無壓載水船的設(shè)計原理主要基于母型船的橫剖面面積不變，在保證排水量基本不變的基礎(chǔ)上，使設(shè)計船底部呈明顯的V型。但是，這種方法若不考慮底部的平板龍骨，變換出的船型會在船底部中間位置生成尖形的船底，不利于實際的建造。圖1為不考慮平板龍骨的V型無壓載水船與母型船橫剖面對比情況，由圖可以明顯地看出設(shè)計船呈現(xiàn)尖形船底。

圖1 尖底的V型無壓載水船

1.1 平行中體處的型線變換

在現(xiàn)有型線設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，提出一種改進的型線設(shè)計方法，即基于母型船的橫剖面面積不變，保證船長、設(shè)計吃水和排水量不變，增大船寬，生成船底傾角，并考慮在傾斜的船底上生成平板龍骨。圖2為母型船與V型無壓載水船中橫剖面的對比。

圖2 母型船與V型無壓載水船中橫剖面對比

在船體中縱剖面處設(shè)置平板龍骨，平板龍骨的半寬為b0，母型船的半寬為b，設(shè)計船的半寬為B，二者的設(shè)計吃水均為d，高度h=(b-b0)tanθ，高度H=(B-b0)tanθ。設(shè)計船底部傾斜角度為θ，區(qū)域P可近似看成三角形，是生成傾斜船底后減少的面積，區(qū)域Q可近似看成梯形，是增加型寬后所增加的面積。

區(qū)域P的面積為

(1)

區(qū)域Q的面積為

(2)

令SP=SQ，即可滿足在平行中體處設(shè)計船與母型船每一站處的橫剖面面積相等。同時，由于在變換中增加了型寬，令B=(1+k)b，且k>0,設(shè)k為變量，將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)

考慮到實際情況，即使增大設(shè)計船的型寬，型寬也不可能非常大，所以限定k的取值范圍為0

1.2 非平行中體的型線變換

考慮非平行中體處的型線變換，利用改造母型法中的比例變換法，實現(xiàn)非平行中體處型線變換。設(shè)計船的船長及吃水與母型船保持一致，型寬與母型船不同，因此只需對每個型值點處的半寬值進行比例變換。

圖3為非平行中體的型線變換示例，在同一吃水高度下，設(shè)y0i為母型船上非平行中體處任意一點的半寬值，yi為設(shè)計船上相應(yīng)點的半寬值，b為母型船中站面相應(yīng)吃水高度處的半寬值，B1為設(shè)計船中站面相應(yīng)吃水高處的半寬值，變換函數(shù)為

圖3 非平行中體型線變換

(5)

由上面的變換函數(shù)即可求得設(shè)計船非平行中體處的半寬值。

2 型線的快速生成

AutoCAD圖形處理軟件廣受工程技術(shù)人員的青睞，用戶遍布世界各地，AutoCAD不僅繪圖功能完備，還是開放的結(jié)構(gòu)體系，即用戶可以根據(jù)自己的需要，對其進行二次開發(fā)。Visual Basic語言功能強大，簡單易學(xué)，適合非專業(yè)人員對軟件進行二次開發(fā)。Visual Basic可直接對AutoCAD進行二次開發(fā)，將AutoCAD當(dāng)成自己Visual Basic程序中的一個圖形窗口，對其進行打開、繪圖、編輯、打印、關(guān)閉等操作[14]，二次開發(fā)實際上擴展了AutoCAD軟件在某方面的特殊功能，幫助用戶實現(xiàn)自己設(shè)想的功能。

利用Visual Basic 6.0對AutoCAD 2014進行二次開發(fā)，可實現(xiàn)設(shè)計型線的快速生成。根據(jù)圖4流程圖編寫二次開發(fā)程序，繪制設(shè)計船型線。

圖4 AutoCAD二次開發(fā)流程圖

母型船的CAD型線圖比型值表涵蓋的數(shù)據(jù)量更多，且母型船的CAD型線圖一般是光順的。本文通過對AutoCAD的二次開發(fā)能在母型船的CAD型線圖中提取型值點，這樣就避免了使用母型船的型值表手動繪制型線之后還需手動修改型線的問題。采用本文提出的改進的型線變換思想，以載重量26 000 t油船為母型船，通過二次開發(fā)軟件可得到船的主尺度及光順的設(shè)計船型線。母型船的資料如表1和圖5所示。

表1 母型船船型參數(shù)

圖5 母型船半寬水線和橫剖線圖

在軟件中輸入母型船主尺度、設(shè)計船底傾角以及母型船平板龍骨的寬度等參數(shù)，便可快速得到設(shè)計船的型寬，獲取母型船的型值點，完成設(shè)計船型值點的計算。圖6為二次開發(fā)軟件中的船型變換輸入界面。

圖6 二次開發(fā)軟件輸入界面

通過二次開發(fā)軟件可以快速得到設(shè)計船的主尺度，通過計算可得設(shè)計船的底傾角與設(shè)計船型寬的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 設(shè)計船的底傾角與型寬的對應(yīng)表

續(xù)表2 設(shè)計船的底傾角與型寬的對應(yīng)表

變換母型船型線后，可得到V型無壓載水船的半寬水線和橫剖線，圖7為底傾角θ=14°時，設(shè)計船的橫剖線和半寬水線圖。

圖7 設(shè)計船橫剖線和半寬水線圖(θ=14°)

3 快速建模

船體三維模型的建立是船舶設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一?，F(xiàn)在船舶性能計算是在三維模型的基礎(chǔ)上進行的，如計算船的穩(wěn)性、快速性、耐波性等，并且三維模型還能為后續(xù)設(shè)計和建造階段的信息集成和共享提供基礎(chǔ)。V型無壓載水船的設(shè)計還不夠成熟，船型參數(shù)在前期設(shè)計中需要反復(fù)修改，并且會存在多種設(shè)計方案，因此快速準確地建立船體三維模型尤為重要。

CATIA軟件最早應(yīng)用于飛機制造領(lǐng)域，現(xiàn)在船舶制造領(lǐng)域也已使用該軟件，該軟件具有強大的曲面生成功能，具有多種二次開發(fā)接口[15]，可以提高船舶設(shè)計過程的效率和質(zhì)量[16]。V型無壓載水船快速建模主要由兩部分完成：一是型值點及型線的快速生成；二是曲面及三維實體的快速建立。圖8為快速建模的主界面。

圖8 CATIA快速建模主界面

3.1 創(chuàng)建型值點和型線

船體的型值點以型值表的方式呈現(xiàn)，在三維建模中，型值表數(shù)據(jù)往往不能直接使用，給數(shù)據(jù)點的導(dǎo)入帶來不便。在AutoCAD二次開發(fā)模塊中，能生成光順的設(shè)計船型線，繼續(xù)擴展此模塊功能，實現(xiàn)在AutoCAD中提取設(shè)計船型線的三維型值點，并將型值點導(dǎo)入到CATIA軟件創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊中帶有宏命令的Excel表格，通過運行Excel表格的宏命令可快速在CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊中生成型值點及相應(yīng)的型線。

以載重量26 000 t油船為母型船，以底傾角的V型無壓載水船為例，其型線如圖7所示。分別將半寬水線和橫剖線的三維型值點導(dǎo)入Excel表。如圖9和圖10所示，StartCurve與EndCurve之間是型線的型值點。

圖9 半寬水線型值點

圖10 橫剖線型值點

三維型值點導(dǎo)入Excel后，要在CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊運行Excel中名為Feuil.Main的宏，并在宏命令提示窗口輸入相關(guān)命令。這里輸入的命令是“2”，可以生成點和曲線。其中,命令“1”代表只生成點，命令“3”代表生成點線面。導(dǎo)入的型線如圖11和圖12所示。

圖11 導(dǎo)入半寬水線

圖12 導(dǎo)入橫剖線

圖12所導(dǎo)入的網(wǎng)格線并不完整，對于比較特殊的曲線，如艏艉輪廓線、艉封板、甲板邊線、舷墻頂線等，上述導(dǎo)入方法并不適用。對于艏艉輪廓線、艉封板，可以通過“樣條曲線”命令手動添加。本文所研究的快速建模對模型有所簡化，不考慮甲板邊線、舷墻頂線等。

3.2 創(chuàng)建實體模型

在得到船體型線后，需要用曲面命令創(chuàng)建船體曲面。船體曲面是有三維曲度的曲面，平行中體處的曲面曲率變化不大，越靠近艏艉部分船體曲面越復(fù)雜。在平行中體處可用“多截面曲面”命令創(chuàng)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。將生成的曲面封閉后，用“封閉曲面”命令生成實體模型。

本文研究的三維模型快速生成，其快速性具有相對性，對于同一艘母型船變換出的V型無壓載水船具有相似性，因此可以通過CATIA進程內(nèi)VBA腳本編程方法[17]完成同一艘母型船不同底傾角下設(shè)計船的快速建模。

以底傾角θ=14°的設(shè)計方案建模全過程為模板，錄制建模全過程的宏命令，并在VBA開發(fā)環(huán)境下進行編輯調(diào)試運行，將調(diào)試成功的程序運行，所得結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 封閉曲面模型

圖14 實體模型

快速建模方法能夠提高建模效率，較快地完成對船體三維模型的建模工作。創(chuàng)建船體型線模塊具有很好的通用性，能夠適應(yīng)不同船型；創(chuàng)建實體模型模塊需根據(jù)母型船的不同錄制不同的宏文件，此模塊通用性較差，但是對于由同一艘母型船變換得到的設(shè)計船而言，這種建模方法能夠達到很好的效果。圖15為根據(jù)上述方法生成的實體模型，上述方法對母型船快速建模也是適用的。

圖15 實體效果圖

4 結(jié) 論

(1) 基于V型無壓載水船的設(shè)計理論，改進了型線設(shè)計方法，根據(jù)實際建造要求在設(shè)計船底部生成平板龍骨，通過該方法結(jié)合AutoCAD的二次開發(fā)，快速生成光順的型線圖。但是，在個別底傾角下，快速生成的設(shè)計型線艏艉和舭部會出現(xiàn)不光順的情況，通過手動修改便能滿足光順要求。因此，本文所提出的改進型線設(shè)計方法是可行的。

(2) 在AutoCAD和Excel的協(xié)同下，方便快速地將三維型值點導(dǎo)入CATIA軟件生成點和型線，并且利用CATIA進程內(nèi)VBA腳本編程方法實現(xiàn)快速建模。這種快速建模方法簡單實用，不需要大量代碼即可實現(xiàn)，為V型無壓載水船多種船型方案的建模及性能計算(如水動力性能計算)提供方便，具有一定的參考價值。但是，這種建模方法通用性不佳，對模型有所簡化，生成的曲面仍有不光順的部分，需要手動修改，后續(xù)工作需提高其通用性及自動化。

本文主要研究了型線設(shè)計方法、型線的快速生成及快速建模，對V型無壓載水船的研究處在初步階段，后續(xù)需要對其他性能進行研究，以期得到性能最優(yōu)的V型無壓載水船設(shè)計方案。