鄭亞雄

船舶靜穩(wěn)性是衡量船舶性能的一項重要指標，在計算船舶靜穩(wěn)性時，由于船舶姿態(tài)的變化，使得計算的工況多，計算量大。因此，船舶靜穩(wěn)性的計算一般都采用編程的方法來實現(xiàn)。目前國內(nèi)的靜穩(wěn)性計算程序，多是依據(jù)船舶的型值進行獨立計算的，這些算法在計算的準確度和數(shù)據(jù)過程的可視化上存在一定的問題。現(xiàn)今，三維CAD 軟件是船舶設(shè)計者必不可少的工具，三維CAD 軟件提供了豐富的開發(fā)端口，可以滿足用戶自定義功能的需求。三維CAD 軟件中成熟的幾何處理功能，使得船模體積，形心等參數(shù)的測量更加精確。本文探究三維CAD 軟件Solid Edge 在船舶靜穩(wěn)性計算中的應(yīng)用，和實現(xiàn)計算船舶靜穩(wěn)性的原理和方法，并據(jù)此用計算實例來分析不同的上層建筑形式對船舶靜穩(wěn)性的影響。

1 Solid Edge 二次開發(fā)技術(shù)及算法

由于船舶設(shè)計造型復(fù)雜，容易出現(xiàn)相對零碎地曲面和實體，幾何造型和實體處理對于準確進行船舶性能的計算和校核有著非常重要的影響。目前主流的CAD 軟件采用的幾何造型內(nèi)核主要有Parasolid 和ACIS，兩者各有優(yōu)勢。ACIS 多用于平面造型和比較簡單的三維模型，能很好的節(jié)省計算資源和內(nèi)存空間。Parasolid 對于復(fù)雜的三維實體的處理具備很大的優(yōu)勢，運行穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時很少出現(xiàn)幾何信息部分丟失現(xiàn)象。此外，在CAM 和CAE 中大部分軟件系統(tǒng)都支持Parasolid 的數(shù)據(jù)格式。因而，Parasolid 幾何造型內(nèi)核作為船舶三維設(shè)計的首選。

Solid Edge 是以Parasolid 作為內(nèi)核進行開發(fā)的，廣泛的用于船舶設(shè)計和靜水性能計算，提供了多種開發(fā)軟件集成方案。并且，可基于ActiveX Automation 技術(shù)，使用戶通過編寫應(yīng)用程序，來控制和操縱Solid Edge，將圖形處理，模型屬性計算和數(shù)據(jù)處理等多種功能進行綜合處理，實現(xiàn)參數(shù)化，自動化和智能化，準確高效的實現(xiàn)功能。必須在Visual Basic 環(huán)境中引用以下Solid Edge 類型庫，才能通過OLE 自動化訪問Solid Edge 提供的主要對象，即Solid Edge 內(nèi)部函數(shù)庫。Solid Edge 為用戶提供了采用標準的Windows“對象鏈接與嵌入”(OLE-Object Linking and Embedding)技術(shù)和“部件對象模型”(COM-Component Object Model)技術(shù)的應(yīng)用程序接口(API)，這樣就允許將Solid Edge 作為ActiveX Automation 應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)服務(wù)器，使Solid Edge 的功能集成到客戶應(yīng)用程序中，從而實現(xiàn)完全的客戶化，如建立企業(yè)標準件庫、常用零件庫等，減少重復(fù)性的建模制圖工作，提高工作效率。ActiveX Automation 技術(shù)通過在兩個程序間安排對話，達到一個程序控制另一個程序的目的，但這種對話方式既不是雙向的，對話雙方也不是平等的?？蛻舫绦?Client)是開始要求對話的應(yīng)用程序，服務(wù)程序(Server)是響應(yīng)Client 的應(yīng)用程序。ActiveX Automation 的代碼在Client 上運行，而這些代碼所控制的動作由Server 執(zhí)行。Solid Edge 支持ActiveX Automation 技術(shù)，在VB 環(huán)境下建立的用戶程序可以利用該技術(shù)直接對Solid Edge 不同層次的對象進行訪問、操作和控制，即建立C/S 模式的用戶應(yīng)用程序。VB 作為Client 可以調(diào)用作為Server 的Solid Edge 服務(wù)程序，并根據(jù)服務(wù)程序暴露的對象進行操作。

圖1 系統(tǒng)流程圖

本文中船舶靜穩(wěn)性計算程序，就是基于Solid Edge 二次開發(fā)所編寫的VB 應(yīng)用程序。靜穩(wěn)性計算所采用的等排水體積法必須首先確定等體積傾斜水線，在傳統(tǒng)計算方法中涉及修正水層的問題，而在本文所采用的方法中，則直接通過三維實體操作，做出等排水體積水線面。采用等排水體積法可以直接求得船舶在某一裝載情況下的靜穩(wěn)性曲線圖。某一姿態(tài)下的等排水體積面使用ExtrudedCutouts 函數(shù)來切割得到水下部分，并使用ComputePhysicalProperties 函數(shù)來測量水下部分體積，如果水下體積大于標準排水體積，則減少吃水，給定一個吃水極小值，通過二分法就可以快速找到滿足殘差要求的水線面。應(yīng)用等排水體積法時，需要經(jīng)過多次二分才能找到目標水線面。在這里涉及對Solid Edge 文檔的反復(fù)打開和關(guān)閉操作，對實體模型的修改和測量，在本程序中這些操作占耗費時間的很大比例。系統(tǒng)流程圖和架構(gòu)圖分別如圖1 和2 所示。

2 靜穩(wěn)性計算程序

對于排水體積一定的船舶，其縱橫傾角對于靜穩(wěn)性有著很大的影響，其姿態(tài)也是縱橫傾角的耦合, 在船尾中部建立一個全局固定坐標系和隨水線面變化的運動坐標系，這兩個坐標系間通過旋轉(zhuǎn)變換得到，可以用坐標基底地的變換來表示。假設(shè)某點在全局坐標系中的坐標為（x，y，z）分別通過繞x 軸旋轉(zhuǎn)φ角，繞y 軸旋轉(zhuǎn)θ 角，繞z 軸旋轉(zhuǎn)ψ 角，轉(zhuǎn)換到運動坐標系中坐標為（ξ，η，ζ）。由于在本文中船舶的運動姿態(tài)只考慮縱搖和橫搖運動，不考慮首搖運動，在坐標系中表現(xiàn)為繞z 軸的旋轉(zhuǎn)角ψ=0。在運動坐標系下，浮力和重力的作用線都是垂直于水線面的，即垂直于ξOη 平面。

本程序以Solid Edge 建模軟件為開發(fā)對象，引用Solid Edge 所有的類型庫，通過API 函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)對Solid Edge的文檔操作，實體建模，測量計算等。本程序包括數(shù)據(jù)輸入，模型處理，計算測量，數(shù)據(jù)輸出四大模塊，具備靜穩(wěn)性曲線繪制，大傾角穩(wěn)性測量，恢復(fù)力臂和力矩實時測量，穩(wěn)性消失角測量等功能。程序界面主要提供數(shù)據(jù)輸入接口，輸出數(shù)據(jù)保存在和執(zhí)行程序同一個文件夾內(nèi)，命名為output.dat，實時圖像輸出采用彈出窗口，使用PSet 和Line 方式繪制靜穩(wěn)性曲線圖，見圖3-4。

圖3 程序主界面

圖4 穩(wěn)性計算模塊界面

3 計算分析

以某水密高抗傾覆船型為例，計算其在無上層建筑以及兩種不同的水密上層建筑情況下的靜穩(wěn)性曲線，并作分析。試驗采用給船模施加翻轉(zhuǎn)力矩，有間斷地緩慢傾斜船模，使船模不致因角速度過大而產(chǎn)生傾覆，直至其不具備恢復(fù)正浮狀態(tài)的能力而發(fā)生傾覆。記錄此時的傾斜角度，經(jīng)過此次測量取平均值，即得到該船模的穩(wěn)性消失角。本試驗的目的是為了測量某高抗傾覆性船的抗傾覆性能，以及在不同上層建筑形式下對其靜穩(wěn)性的影響。

從計算結(jié)果中，可以看出降低重心高度對于提高船舶的靜穩(wěn)性有著顯著的影響。同時不同的水密上層建筑形式對于船舶的靜穩(wěn)性影響也是很大的，例如框架式上層建筑形式對于提高船舶的穩(wěn)性消失角具有很大的增益效果，桅桿式上層建筑使得船舶在傾覆后的力臂比較小，這也意味著使其恢復(fù)至正浮狀態(tài)所需要提供的力矩也要相應(yīng)的小，這就比較便于去加載一些浮態(tài)恢復(fù)的輔助裝置。通過本程序的計算，能將各種工況下的靜穩(wěn)性特點表現(xiàn)出來，給分析和研究提供了參考。

穩(wěn)性消失角是衡量船舶靜穩(wěn)性的一項重要指標，從表1 中的結(jié)果來看，本程序計算結(jié)果與實驗值對比的誤差能控制在較小的范圍內(nèi)，靜穩(wěn)性的理論計算結(jié)果趨勢與實際相符，能反映目標船型的靜穩(wěn)性特點和返回指標性參數(shù)。本方法發(fā)揮了Solid Edge 在建模和圖形處理上的優(yōu)勢，使設(shè)計者在設(shè)計時就能通過運行本程序，及時得到靜穩(wěn)性的相關(guān)信息，提高設(shè)計和計算效率。

表1 穩(wěn)性消失角理論值與試驗值對比

4 結(jié)論

通過使用Visual Basic 對Solid Edge 進行二次開發(fā)，將船舶靜穩(wěn)性計算的功能集成到三維CAD 軟件中，使其更適合于船舶設(shè)計和研發(fā)，大大提高了計算的效率和精度。同時，本方法可以進一步拓展到船舶的其他靜水力計算的應(yīng)用中，具有一定的實用價值和潛力。此外，三維CAD 軟件正在不斷發(fā)展中，其可供二次開發(fā)的功能也越來越多，這為今后更加高效地進行船舶靜穩(wěn)性計算提供了保障。