于峰

(中國船級社武漢規(guī)范研究所,武漢 430022)

COMPASS iStability系中國船級社武漢規(guī)范研究所主持開發(fā)的內(nèi)河船舶穩(wěn)性計算程序,該系統(tǒng)一改老版程序二維建模方式,趕上了基于船體表面網(wǎng)格積分的三維建模潮流[1],經(jīng)過測試、試運行、運行、改版,已漸趨成熟,正一步步縮短與國外同類軟件,如NAPA 軟件[2]、Moses 軟件[3]距離。以浮船塢命令流方法建模為例,介紹命名規(guī)則、5分段建模與整體建模、塢墻開口7分段建模和體過渡整體建模,比較不同方法穩(wěn)性計算結(jié)果,證實整體建模既快速簡捷,又能保證計算精度。

1 COMPASS iStability簡介

COMPASS iStability穩(wěn)性計算包括主船體外殼三維建模,切割主船體外殼生成單元體或撇開主船體外殼構(gòu)建單元體,單元體組合生成艙室,靜水力、艙容、穩(wěn)性等計算要素輸入,程序運算,結(jié)果輸出。

主船體三維建模：基于界面通過操作、對象、方法的交互式方法;肋位橫剖線/站線型值導(dǎo)入法;完全用命令流的純命令流方法,各方法各有優(yōu)缺點,既可以獨立運用,也可以交替使用。命令流方法具有簡單、快捷、可重現(xiàn)建模過程等諸多優(yōu)越性,要求操作者具有一定的經(jīng)驗。無論哪種方法,首先必須完成三維建模。采用直角正交坐標(biāo)系,船長方向為X軸,向船首為正,船寬方向為Y軸,向左舷為正,型深方向為Z軸,向上為正,坐標(biāo)原點,多在尾垂線或船中。

三維建模完成后,通過界面輸入編輯計算要素：含靜水力、艙容、完整穩(wěn)性、許用重心高度、破損穩(wěn)性、傾斜試驗。

最后,程序運算,計算方法為三維網(wǎng)格積分法[4],輸出結(jié)果。

2 浮船塢三維建模

2.1 浮船塢概況

塢體長 129.60 m,左、右塢墻寬 3.00 m,

塢寬 33.60 m,中龍骨處浮箱高度 3.20 m,

塢深 10.50 m,

龍骨墩上表面距基線 4.20 m,

舷側(cè)壓載水艙頂距基線 7.70 m,

舷側(cè)處浮箱高度 3.10 m,

作業(yè)吃水 2.80 m,

作業(yè)吃水排水量 12 265.1 t,

最大沉深吃水 8.20 m,

最大沉深排水量 17 191.9 t,

設(shè)計舉升能力 6 000 t,

最大沉深排水量(塢墻開口) 17 105.5 t,船中 Fr108,肋距 0.60 m。

浮船塢左右舷對稱,首尾也對稱。每側(cè)塢墻在首尾沿縱向有3個道坡,坡道上有2個平臺。

2.2 建模要點、命名規(guī)則和橫剖線

2.2.1 建模要點

順利建模,不出差錯,尤其是不要出現(xiàn)面不能封閉的情況。

在順利建模,不出差錯的前提下,盡可能快速、簡捷地完成建模。有時,明知道用傳統(tǒng)的線面方法是可以完成建模的,但是,由于分段太多,線面太多,耗時太多,不得不舍棄,另尋簡捷方法。

好的建模,思路清晰,可以收到事半功倍的效果。不好的建模,對線、面等要素的命名過于隨意,沒有規(guī)律可循,審核需要借助高亮顯示,反推名稱的含義,對模型細(xì)節(jié)處理,要么不夠簡捷,要么簡化過頭,產(chǎn)生失真。

2.2.2 命名規(guī)則

三維建模需要對點、線、面、體、艙室單元體等用到的要素命名,以肋位號Fr或站號S為依托,附帶數(shù)字,其中點“.”指加,“-”指減,下劃線“_”指范圍,船底和甲板后數(shù)字為Y坐標(biāo)值,舷側(cè)后數(shù)字為Z坐標(biāo)值。Heri指水平線,Vert指垂直線,各要素的命名遵循簡捷易懂有規(guī)律的原則,見表1。

表1 線、面、體名稱及含義

該命名方法可以從容應(yīng)對建模中多個分段及對應(yīng)的線和面,可讀性強(qiáng),可維護(hù)性高。

2.2.3 橫剖線

建模前要規(guī)劃處理邊浮箱與主體的連接,將肋位橫剖線分成2段：船底線和外舷線,甲板線和內(nèi)舷線,只分一段會導(dǎo)致圍不成封閉的面。

沿船舶縱向突變處的橫剖面,即斜坡道起止剖面需要逐一輸入,以控制縱向線型,斜坡道上有2個平臺,每個平臺起止處各取1個剖面,加上斜坡道起止處2個剖面,及首尾封板,共14個剖面,見圖1。

圖1 橫剖線

解決面無法封閉的問題,要依據(jù)具體船型尋求辦法,而將橫剖線劃小,即本來可以在一次命名中完成的線,拆分成2次或2次以上完成,命名也是2次或2次以上,讓每個面盡可能由四條邊圍成。這樣,不但容易形成面,而且面劃網(wǎng)格時也會規(guī)整,便于積分求解。

解決面無法封閉,還可以嘗試將縱剖線向外延伸,在船尾線型變化激烈處,將起于尾封板,向船首方向的縱剖線盡量向船首延伸,或者增加縱剖線數(shù)量。

2.3 塢墻無開口

2.3.1 5分段建模

塢墻無開口,船首到船尾采用首部、中部、尾部分段式方法,尾部3個斜坡道2個平臺劃分1個分段,尾封板向前平直部分劃分1個分段,首部與尾部相同,也劃分2個分段,加上中部1個分段,共劃分2+1+2個分段。

首尾封板要建梁拱,其他剖面寬度與首尾封板相同,梁拱也相同,中間各線型的梁拱省略。尾封板上增加垂直線,與甲板線、船底線對應(yīng),否則圍不成封閉的面,首尾封板單獨成型。

為優(yōu)化網(wǎng)格,增加了甲板線、船底線、舷側(cè)線等縱剖線。自尾到首依次連接Y坐標(biāo)相同的點得到。

所需橫剖面、線、面、命令行見表2和圖2。

圖2 塢墻無開口5個分段

表2 塢墻無開口5個分段命令行組成

2.3.2 整體建模

對于線型簡單的船型,可以只劃分首部、尾部2段,或者整個主船體只劃分1個分段。

浮船塢線型簡單,除塢墻斜坡道外,均是規(guī)則四邊形,首尾部可以不劃分分段,采用首部、中部、尾部一體式方法建模。塢墻無開口,船首到船尾劃分1個分段,省略橫剖面上的梁拱線5條,及斜坡道平臺處的縱向線5條后,所需橫剖面、線、面、命令行見表3,圖3,圖4和圖5。

圖3 縱向線

圖4 塢墻無開口1個分段

圖5 塢墻無開口主船體

表3 塢墻無開口1個分段命令行組成

建面時,中部船底面、舷側(cè)面、甲板面1次成型。鏡像得到右舷面,見圖6。

圖6 塢墻有開口7個分段

2.4 塢墻有開口

2.4.1 7分段建模

左右舷邊浮箱共有4個開口,長×寬×高為2.4 m×3.0 m×3.0 m,位于Fr30～Fr34與Fr182～Fr186。當(dāng)塢墻上有開口時,開口處要單獨劃分1個分段,開口前和開口后各劃分1個分段,此即不借助體過渡完全用線面建模。

對于首尾部各有1個開口情況,尾部要劃分3個分段,首部也要劃分3個分段,加上中部1個分段,沿縱向至少要分3+1+3個分段,所需橫剖面、線、面、命令行見表4和圖6。

表4 塢墻有開口7個分段命令行組成

如果首尾部各有2個開口,沿縱向至少要分5+1+5段,此方法有大量線面需要命名,建模過程較為繁瑣[5]。如果不借助體過渡,直接用線和面,當(dāng)塢墻開口有部分處于塢墻斜坡時,建模工作會變得異常繁瑣。

2.4.2 體過渡整體建模

更進(jìn)一步的簡化辦法是忽略開口,建封閉面,由封閉面建體,扣除開口處的體,帶開口的體退化到帶開口的面。每一步對應(yīng)的命令流只有1條,相當(dāng)簡捷。此即為借助體過渡建模。

塢墻有開口,船首到船尾劃分一個分段。先假定沒有開口,整體建立封閉面模型,由面模型生成體模型,再將開口建成船艏、船艉,左舷、右舷4個體模型,運算生成具有開口的體模型,最后由具有開口的體模型生成具有開口的面模型,此方法需要命名的線面最少,建模過程最簡捷。

所需橫剖面、線、面、體、命令行見表5,圖7和圖8。

圖7 塢墻有開口1個分段

圖8 塢墻開口后主船體

表5 塢墻有開口1個分段命令行組成

2.5 不同方法比較

2.5.1 建模工作量

沿船長劃分1個分段與劃分5個分段相比,除橫剖面數(shù)量相同外,線、面、命令行數(shù)量幾乎減少一半,使得建模工作量大幅減少,建模中的查詢、糾錯也更容易,可顯著地提高建模效率,見表6。

表6 塢墻無開口五個分段與整體建模

沿船長劃分1個分段與劃分7個分段相比,增加體6個,命令只增加16行,橫剖面數(shù)量減少4個、線、面、命令行數(shù)量減少一半以上,模型復(fù)雜時,借助體極大地減少了建模工作量,見表7。

表7 塢墻有開口7個分段與體過渡整體建模

2.5.2 穩(wěn)性計算結(jié)果

塢墻無開口,分段建模與整體建模穩(wěn)性計算結(jié)果完全一致。塢墻有開口時,穩(wěn)性計算與塢墻無開口比較,最大復(fù)原力臂、復(fù)原力臂面積衡準(zhǔn)數(shù)、風(fēng)壓衡準(zhǔn)數(shù)等略有差異,吃水超過開口后,排水量、重心垂向坐標(biāo)也有差異,但不影響穩(wěn)性計算結(jié)論[6],穩(wěn)性曲線面積隨著船舶載重量的增加下降幅度較大[7],見表8。

表8 塢墻無開口和塢墻有開口穩(wěn)性計算結(jié)果

3 結(jié)論

1)整體建模工作量大大少于分段建模工作量,二者穩(wěn)性計算精度相同。

2)無論是船體建模還是艙容建模,借助體過渡,可以有效減少建模工作量,且模型越復(fù)雜,效果越明顯。

3)命令流方法建模,中間過程便于修改,分析對比方便快捷。