留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

三维船体建模与稳性计算系统研发

陈志飚 陈庆任 朱显玲

陈志飚, 陈庆任, 朱显玲. 三维船体建模与稳性计算系统研发[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(X): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
引用本文: 陈志飚, 陈庆任, 朱显玲. 三维船体建模与稳性计算系统研发[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(X): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
CHEN Z B, CHEN Q R, ZHU X L. Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(0): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
Citation: CHEN Z B, CHEN Q R, ZHU X L. Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(0): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952

三维船体建模与稳性计算系统研发

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01952
详细信息
    作者简介:

    陈志飚,男,1977年生,博士,高级工程师。研究方向:船舶工程计算软件,船舶规范技术标准。E-mail:arbyao@126.com

    陈庆任,男,1984年生,博士,高级工程师。研究方向:船舶工程计算软件,船舶性能技术标准

    朱显玲,女,1976年生,副教授。研究方向:船舶与海洋工程设计。E-mail:16101826@qq.com

    通讯作者:

    朱显玲

  • 中图分类号: U662.9

Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system

  • 摘要:   目的  为实现多体船、组合船体等复杂船型的船体与舱室的可视化快捷建模和稳性计算,研发三维船体建模与稳性计算系统。  方法  采用模型−视图−控制器(Model-View-Controller,MVC)设计模式搭建系统框架;融合三维可视、对象拾取、特征点捕捉、命令流、引用表达式−联动更新、撤销−重做、智能表格等功能元素,实现适用于一般用户的船体与舱室三维交互式建模,以及适用于熟练用户的命令流快速建模;采用三维表面网格积分算法,实现不受限于船型的静水力与稳性计算,并基于派生类技术实现多个版本的法规衡准供用户选择。  结果  实船测试和工程应用结果表明,该系统能实现船体与舱室的三维快速建模和准确计算,覆盖具有多艉、球艏、艏升高、艉升高、凸形甲板的复杂船型,以及浮船坞、双体船、三体船、拼装组合船等特殊船型。  结论  该软件对船舶工程软件的设计研发具有重要参考价值。
  • 图  1  模型(Model)数据架构

    Figure  1.  Data schema of the Model

    图  2  软件系统界面

    Figure  2.  Software system interface

    图  3  三维船体建模流程

    Figure  3.  3D hull modeling process

    图  4  被引用线修改后关联线的联动更新

    Figure  4.  Linkage update of associated curve after modification of referenced curve

    图  5  参数化截取左舷舱

    Figure  5.  Extracting port side tank in parametric way

    图  6  艉部燃油舱(复杂舱室)

    Figure  6.  Tail fuel oil tank (complex compartment)

    图  7  模型网格化

    Figure  7.  Model meshing

    图  8  规则组合体

    Figure  8.  Combination of regular bodies

    图  9  旅游船和油船静稳性力臂

    Figure  9.  Static stability force arm of tourist ship and tanker

    图  10  典型实船工程应用

    Figure  10.  Engineering application of typical ships

    表  1  引用表达式示例

    Table  1.   Reference expression example

    引用表达式含义
    P1用于任意坐标,表示P1点所在的坐标点
    C1用于平面坐标,表示C1曲线与该平面的交点
    C1/Z=3用于任意坐标,表示C1曲线与Z=3平面的交点
    C1/Y>3用于平面坐标,表示C1曲线与该平面的多个交点中Y>3的交点,同样支持Y<3
    C1/X≈3用于平面坐标,表示C1曲线与该平面的多个交点中X≈3的交点
    C1/C2用于任意坐标,表示C1曲线与C2曲线的交点
    C1/n=1用于任意坐标,表示C1曲线上的第1个插值节点
    C1/n=3用于任意坐标,表示C1曲线上的第3个插值节点
    C1/n=−1用于任意坐标,表示C1曲线上的倒数第1个插值节点
    下载: 导出CSV

    表  2  组合体的体积和形心垂向坐标

    Table  2.   Volume and centroid vertical coordinate of combination bodies

    吃水/m体积形心垂向坐标
    计算值/m3理论值/m3误差/%计算值/m理论值/m误差/%
    1.016.0016.000.000.50.5000.00
    3.048.0048.000.001.51.5000.00
    5.090.0090.020.022.6692.6690.01
    7.0127.89127.930.033.6503.6500.00
    9.0604.18604.460.057.2597.2600.01
    11.01 190.811 191.410.058.6018.6010.00
    13.01 689.481 690.400.059.5939.5930.00
    15.02 049.942 051.160.0610.35510.3550.00
    下载: 导出CSV

    表  3  旅游船和油船静稳性力臂

    Table  3.   Static stability force arm of tourist ship and oil tanker

    横倾角/ (°)130 m旅游船力臂12万吨级油船力臂
    本系统/mcyzWX/m偏差本系统/mNAPA/m偏差
    0−0.010−0.0110.001−0.144−0.1470.003
    50.5860.5870.0011.4921.4880.004
    101.1941.1930.0013.0283.0220.006
    151.4161.4160.0004.4834.4780.005
    201.2711.2750.0045.5855.5820.003
    250.9260.9320.0066.1056.1020.003
    300.4760.4850.0096.3336.3330.000
    35−0.028−0.0180.0106.3446.3420.002
    40−0.560−0.5500.0106.2526.2510.001
    下载: 导出CSV
  • NAPA. Industry standard software for ship stability analysis[EB/OL]. [2020-05-08] https://www.napa.fi/software-and-services/ship-design/hydrostatics-and-stability/.
    秦帅帅. 船体三维参数化建模及稳性计算软件开发[D]. 大连: 大连理工大学, 2019.

    QIN S S. 3D parametric modeling and stability calculation software development of ship hull[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2019 (in Chinese).
    姜玲. 船舶稳性三维计算方法研究及软件开发[D]. 大连: 大连海事大学, 2015.

    JIANG L. Ship stability dimensional calculation method research and software development[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2015 (in Chinese).
    陈志飚, 王娜, 张净宙, 等. 基于.NET平台的插件式船舶工程计算系统应用框架开发[J]. 计算机应用, 2010, 30(增刊 1): 225–226, 229.

    CHEN Z B, WANG N, ZHANG J Z. Development of plug-in ship assess application framework based on. NET[J]. Journal of Computer Applications, 2010, 30(Supp 1): 225–226, 229 (in Chinese).
    盛振邦, 刘应中. 船舶原理(上册)[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2003.

    SHENG Z B, LIU Y Z. Ship theory (first volume)[M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2003 (in Chinese).
    程智斌, 魏建志, 曾宏军. 计算破损船舶稳性的表面元法[J]. 海军工程大学学报, 2002, 14(4): 41–44, 53. doi:  10.3969/j.issn.1009-3486.2002.04.010

    CHENG Z B, WEI J Z, ZENG H J. Surface element method to evaluate the stability of damaged vessel[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2002, 14(4): 41–44, 53 (in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1009-3486.2002.04.010
    李广年, 陈庆任, 朱善强, 等. 非对称双体船完整稳性研究[J]. 中国造船, 2018, 59(4): 170–177. doi:  10.3969/j.issn.1000-4882.2018.04.019

    LI G N, CHEN Q R, ZHU S Q, et al. Study on intact stability of asymmetric catamaran[J]. Shipbuilding of China, 2018, 59(4): 170–177 (in Chinese). doi:  10.3969/j.issn.1000-4882.2018.04.019
    中华人民共和国海事局. 内河船舶法定检验技术规则(2011)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

    Maritime Safety Administration of the People's Republic of China. Technical regulations for the statutory surveys of inland waterways ships(2011)[S]. Beijing: People's Communications Press Co.,Ltd., 2011.
    中华人民共和国海事局. 内河船舶法定检验技术规则(2015年修改通报)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

    Maritime Safety Administration of the People's Republic of China. Amendment of technical regulations for the statutory surveys of inland waterways ships(2015)[S]. Beijing: People's Communications Press Co.,Ltd., 2015.
    中华人民共和国海事局. 内河船舶法定检验技术规则(2016年修改通报)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2016.

    Maritime Safety Administration of the People's Republic of China. Amendment of technical regulations for the statutory surveys of inland waterways ships (2016)[S]. Beijing: People's Communications Press Co.,Ltd., 2016.
    中华人民共和国海事局. 内河船舶法定检验技术规则(2018年修改通报)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2018.

    Maritime Safety Administration of the People's Republic of China. Amendment of technical regulations for the statutory surveys of inland waterways ships(2018)[S]. Beijing: People's Communications Press Co.,Ltd., 2015.
    中华人民共和国海事局. 内河船舶法定检验技术规则(2019)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2020.

    Maritime Safety Administration of the People's Republic of China. Technical regulations for the statutory surveys of inland waterways ships(2019)[S]. Beijing: People's Communications Press Co.,Ltd., 2020.
    中华人民共和国海事局. 特定航线江海直达船舶法定检验技术规则(2018)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2018.

    Maritime Safety Administration of the People’s Republic of China. Technical regulations for the statutory surveys of sea-river-through ships on specific routes (2018)[S]. Beijing: People's Communications Press Co., Ltd, 2018.
    中华人民共和国海事局. 远洋渔船法定检验技术规则(2019)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2019.

    Maritime Safety Administration of the People's Republic of China. Technical regulations for the statutory surveys of ocean fishing ships(2019)[S]. Beijing: People's Communications Press Co., Ltd., 2019.
    陈志飚, 陈庆任. 内河COMPASS软件升级及新功能开发–系统测试报告[R]. 中国船级社, 2016.

    CHEN Z B, CHEN Q R. Software system test report of upgrade and new function development of COMPASS Inland[R]. China Classification Society, 2016 (in Chinese).
  • [1] 马坤, 梅树猛, 于津钊2020: 瘫船稳性横摇周期计算方法讨论分析 , 中国舰船研究, 15, 32-37. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01574
    [2] 姚金艺, 曾庆军, 赵强, 朱志宇, 戴文文2019: 全驱动型AUV三维路径跟踪控制系统设计及分析 , 中国舰船研究, 14, 22-29. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01520
    [3] 王晓聪, 桂洪斌, 刘洋2018: 三维有限长圆柱绕流数值模拟 , 中国舰船研究, 13, 27-34. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2018.02.004
    [4] 李涛涛, 方雄兵, 林锐, 陈捷捷2017: 基于Top-down建模机制的三维虚拟人快速建模方法 , 中国舰船研究, 12, 38-44. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.007
    [5] 朱军, 刘瑞杰, 葛义军, 王智宇, 黄昆仑2017: 规则波浪中舰船纯稳性丧失计算研究 , 中国舰船研究, 12, 1-6,15. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.001
    [6] 王海霖, 黄祥兵, 彭飞, 王中2016: 基于三维点云的加筋圆柱壳体圆度测量及初挠度计算 , 中国舰船研究, 11, 65-69,82. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.010
    [7] 肖继刚, 周强2013: 舰载指控系统三种体系结构的可靠性建模与比较 , 中国舰船研究, 8, 103-108. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2013.04.018
    [8] 蒋仕伟, 徐筱欣2013: 基于CFD的闭式机舱通风系统三维数值模拟 , 中国舰船研究, 8, 80-83,89. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2013.02.014
    [9] 王冶, 徐筱欣2013: 船用换热器三维流场数值模拟 , 中国舰船研究, 8, 79-85. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2013.04.014
    [10] 熊济时, 吴崇健, 徐志云, 曾革委2011: 三维数字空间法与波叠加法结合的近场声辐射计算 , 中国舰船研究, 6, 41-45. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.008
    [11] 郑杰, 谢伟, 李慧敏2011: 三维流体动力方法计算穿浪双体船的船体响应 , 中国舰船研究, 6, 29-34. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.006
    [12] 曹晶, 陈明, 孙永刚2011: 基于CATIA的三维船舶静水力计算研究 , 中国舰船研究, 6, 25-28. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.005
    [13] 董红, 程智斌2010: 多种破坏因素下舰船电力系统三维战损综合评估 , 中国舰船研究, 5, 66-71. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.015
    [14] 叶新苗, 刘毅, 钱智声2009: 地效翼艇三维组合翼气动特性计算分析 , 中国舰船研究, 4, 22-27. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2009.04.005
    [15] 陈捷捷, 李焱, 吴波2007: 基于CADDS5和VB的三维船体结构重量重心及材料统计计算系统 , 中国舰船研究, 2, 51-55. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2007.04.012
    [16] 吴方良, 吴晓光, 马运义, 何汉保, 许建2007: 基于雷诺应力方程模型的全附体潜艇尾部伴流场三维粘性数值计算 , 中国舰船研究, 2, 4-48. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2007.06.002
    [17] 黎庆芬, 曾广武, 肖伟2006: 潜器圆柱形耐压壳体强度和稳性计算及衡准方法研究 , 中国舰船研究, 1, 45-49. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2006.02.011
    [18] 马坤, 董晓霞, 杨帆2006: 舰船自由液面对稳性曲线修正的实时计算 , 中国舰船研究, 1, 54-57,80. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2006.01.011
    [19] 石国政, 侯国祥, 方闯, 祝玉梅, 许士华2006: 船舶静力学计算及稳性衡准系统的设计和实现 , 中国舰船研究, 1, 1-06. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2006.04.001
    [20] 吴晓璐, 李天匀, 刘敬喜2006: 静水中水面倾覆船舶打捞的力学分析 , 中国舰船研究, 1, 36-40. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2006.06.008
  • 加载中
图(10) / 表 (3)
计量
  • 文章访问数:  10
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-07
  • 修回日期:  2020-05-29
  • 网络出版日期:  2020-12-10

三维船体建模与稳性计算系统研发

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01952
    作者简介:

    陈志飚,男,1977年生,博士,高级工程师。研究方向:船舶工程计算软件,船舶规范技术标准。E-mail:arbyao@126.com

    陈庆任,男,1984年生,博士,高级工程师。研究方向:船舶工程计算软件,船舶性能技术标准

    朱显玲,女,1976年生,副教授。研究方向:船舶与海洋工程设计。E-mail:16101826@qq.com

    通讯作者: 朱显玲
  • 中图分类号: U662.9

摘要:   目的  为实现多体船、组合船体等复杂船型的船体与舱室的可视化快捷建模和稳性计算,研发三维船体建模与稳性计算系统。  方法  采用模型−视图−控制器(Model-View-Controller,MVC)设计模式搭建系统框架;融合三维可视、对象拾取、特征点捕捉、命令流、引用表达式−联动更新、撤销−重做、智能表格等功能元素,实现适用于一般用户的船体与舱室三维交互式建模,以及适用于熟练用户的命令流快速建模;采用三维表面网格积分算法,实现不受限于船型的静水力与稳性计算,并基于派生类技术实现多个版本的法规衡准供用户选择。  结果  实船测试和工程应用结果表明,该系统能实现船体与舱室的三维快速建模和准确计算,覆盖具有多艉、球艏、艏升高、艉升高、凸形甲板的复杂船型,以及浮船坞、双体船、三体船、拼装组合船等特殊船型。  结论  该软件对船舶工程软件的设计研发具有重要参考价值。

English Abstract

陈志飚, 陈庆任, 朱显玲. 三维船体建模与稳性计算系统研发[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(X): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
引用本文: 陈志飚, 陈庆任, 朱显玲. 三维船体建模与稳性计算系统研发[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(X): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
CHEN Z B, CHEN Q R, ZHU X L. Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(0): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
Citation: CHEN Z B, CHEN Q R, ZHU X L. Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(0): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01952
    • 船舶稳性计算专业软件大体可划分为3代,即二维、半三维和三维,它们的区别在于模型表达方式、人机交互能力和计算核心先进性。二维软件在早期十分盛行,通常采用型值表与加密点或类似方式来描述船体模型,采用数据文件或表格窗口录入模型数据,采用几何线框显示船体外形,采用平面切片积分法计算船体几何参数。三维软件采用三维几何模型来描述船体模型,并引入了三维可视化交互技术和三维网格积分算法;相较于二维软件,三维能更直观地创建和展示船型,良好的用户体验和广泛的船型适应性使其更易于被用户接受。半三维软件介于两者之间,其具备一定的三维可视化交互能力,但模型表达方式和计算核心尚未突破二维本质,所以适用性往往受到一定限制。

      业界领先的稳性计算软件均具备一定的三维建模与三维计算能力。国外的MAXSURF和NAPA[1]等软件在船舶领域应用广泛,其三维交互能力深受欢迎;国内学者也开展了相关研究和软件开发[2-3],但受应用条件制约,软件未得以广泛应用。

      鉴于此,本研究以满足用户友好性、船型普适性、软件易维护性为目标,拟采用三维可视交互技术、三维积分计算算法和软件工程方法,借鉴AutoCAD等软件的反向框选拾取、特征点捕捉、命令流等功能,设计开发一款具有自主版权的三维船体建模与稳性计算系统COMPASS-iStability(COMPASS Inland平台的子系统),用于船舶辅助设计、审图计算、航运安全评估和高校教学实训。

    • 考虑用户的易接受度,本系统在研发时采用了当前成熟的模型−视图−控制器(Model-View-Controller,MVC)设计模式,结合主板−插件式架构技术[4]的应用,最大程度降低系统设计的复杂性,使系统开发维护更为容易。视图(View)负责展示模型(Model),控制器(Controller)是两者的纽带,三者之间相对独立。

    • Model用于描述船体的几何模型和分析模型(含结果)。采用了相对灵活和可扩展的XML架构,将数据划分为几何、船壳、分析等多个数据块,每个数据块又细分为不同类型的数据对象,如图1所示。其中,几何和船壳为三维可视化对象,采用自定义数据结构存储用户输入数据,每个对象以ID作为唯一标识;分析数据则采用了关系数据表进行表达。

      图  1  模型(Model)数据架构

      Figure 1.  Data schema of the Model

    • View负责以合适的方式展示Model。几何和船壳数据对象采用了对象树面板、操作面板和基于OpenGL的三维视图进行显示和交互,如图2所示;分析数据采用了智能表格控件、ZedGraph图表控件和iTextSharp控件进行显示、编辑和报告输出,智能表格控件能根据用户前序输入自动屏蔽后序不需填写的单元格(切换为只读状态并显示为灰色)。

      图  2  软件系统界面

      Figure 2.  Software system interface

    • Controller负责响应用户输入,并在View和Model中体现响应结果。采用全局事件响应机制,当对象树面板、操作面板、工具栏、三维视图和命令窗口存在用户输入(鼠标、键盘等)时,由指定的处理器来响应,并将结果反馈到三维视图、对象树面板和输出窗口(显示用户指令执行的结果和告警信息)。其中,命令窗口接受用户命令,通过自主开发的一套命令处理器来完成命令的解释与执行,并支持命令的撤销与重做(Undo/Redo)。

    • 建立船体模型是实施稳性计算的前置条件,模型准确性与计算结果息息相关。本系统中推荐的三维船体建模流程如图3所示,即首先创建型线,然后由型线构造型表面,继而由型表面围成主船体,最后从主船体上截取舱室。

      图  3  三维船体建模流程

      Figure 3.  3D hull modeling process

      三维建模方面,除三维可视化、Undo/Redo功能外,本系统还实现了以下功能:

      1) 支持交互式建模。以操作面板为用户入口,创建和编辑线、面、体,为操作面板中需要的数据项提供快捷输入途径:例如,数据项为图元对象名称,则可以从图形窗口拾取,包括点选拾取、正向框选拾取(全部落在框内即选中)和反向框选拾取(部分落在框内即选中);例如,数据项为几何坐标,则可从图形窗口捕捉曲线端点、插值节点、交点、指定条件的点等,从而大幅度提高数据输入的效率和便捷性。

      2) 支持命令流建模。命令窗口输入的命令在执行之前可编辑修改,多个命令可同时批量执行,这种建模方式尤其适用于熟练用户,能实现全船快速建模和修改及母型船改型。

      3) 支持将船舶肋位坐标、站位坐标作为输入。用以表示坐标点的X坐标分量,从而实现以船员熟悉的方式简化数据输入,例如,#10+100表示10号肋位正向偏移100 mm,$2−200表示2号站位反向偏移100 mm。

      4) 支持引用表达式作为输入,用以表示坐标点或坐标分量。如表1所示,这种输入方式可大幅度简化重复性数据的录入,尤其适合表达线与线的交点。表1中:XYZ表示坐标轴3个方向的分量;P1,C1和C2为对象的名称标识;n为固定不变的特殊标记。

      表 1  引用表达式示例

      Table 1.  Reference expression example

      引用表达式含义
      P1用于任意坐标,表示P1点所在的坐标点
      C1用于平面坐标,表示C1曲线与该平面的交点
      C1/Z=3用于任意坐标,表示C1曲线与Z=3平面的交点
      C1/Y>3用于平面坐标,表示C1曲线与该平面的多个交点中Y>3的交点,同样支持Y<3
      C1/X≈3用于平面坐标,表示C1曲线与该平面的多个交点中X≈3的交点
      C1/C2用于任意坐标,表示C1曲线与C2曲线的交点
      C1/n=1用于任意坐标,表示C1曲线上的第1个插值节点
      C1/n=3用于任意坐标,表示C1曲线上的第3个插值节点
      C1/n=−1用于任意坐标,表示C1曲线上的倒数第1个插值节点

      5) 支持基于引用表达的联动更新:若某线的坐标点采用引用表达式(表1)引用了其他点或线,当被引用的点或线修改后,该关联线能跟随联动更新(图4),以此确保几何模型的一致性。

      图  4  被引用线修改后关联线的联动更新

      Figure 4.  Linkage update of associated curve after modification of referenced curve

      6) 舱室可通过参数化方式从船体上截取,仅需指定舱室的两端位置X和用于表征端面形状的特征点参数,如图5所示左舷舱;此外,也支持通过单元体与单元体(舱室)布尔运算组合,生成形状复杂的舱室,如图6所示艉部燃油舱。

      图  5  参数化截取左舷舱

      Figure 5.  Extracting port side tank in parametric way

      图  6  艉部燃油舱(复杂舱室)

      Figure 6.  Tail fuel oil tank (complex compartment)

      7) 支持初始化图形交换规范(IGES)导入和导出,实现与CATIA,NAPA,MAXSURF等常用软件之间模型互通;同时,也支持型值表导入和导出,实现模型的快速创建和数据检查。

    • 基于三维模型方可开展三维稳性计算,首先将代表船体与舱室的三维表面转换为三维面网格单元模型,然后以此为输入进行三维稳性计算。

    • 模型网格化就是把三维船体和舱室分别作为独立的体,将其三维表面转换为三角网格。转换过程中,控制三角网格与三维表面的偏差δ≤0.000 1,如图7所示。而网格尺寸则随原始三维表面的曲度自适应调整,在曲度小的部位形成的网格很稀疏,例如平行舯体区域的舷侧、船底等;在曲度很大的部位网格相对更细密,例如艉部螺旋桨轴、舭部等。从而确保转化后的三角网格与原三维表面尽可能贴合,同时也最大程度减少网格数量,降低后续计算工作量。

      图  7  模型网格化

      Figure 7.  Model meshing

    • 为了得到船体排水体积、惯性矩、形心等三维几何参数,传统方法是将船体的三维积分转换为沿船长或型深的切片(横剖面或水线面)近似积分[5],这种算法的计算精度受限,且难以适用于不规则和复杂的形体。

      本系统基于三维面网格单元模型,采用了全新的积分算法,应用高斯定理将三维体积分转换为三维面网格单元积分[6-7],计算结果精度可控,相比于传统切片积分算法,对船型适应性更好,可适用于任意三维形体。

    • 船舶浮态的计算是船舶稳性计算的重要环节。本系统摒弃了基于静水力数据来近似求解浮态的传统方法,采用基于三维模型求解浮态平衡方程来直接计算船舶浮态,方程求解采用牛顿迭代法,迭代过程中考虑船舶纵倾和横倾,使浮态计算结果更准确。

      除了船舶初始浮态外,复原力臂、进水角、破损浮态等计算也需要求解浮态平衡,只是求解方程有所不同:

      1) 采用重力浮力平衡、纵倾力矩平衡的两方程计算复原力臂;

      2) 采用重力浮力平衡、纵倾力矩平衡、进水点/出水点在水面的三方程计算进水角/极限静倾角;

      3) 计算破损情况下的浮态、复原力臂及进水角,求解过程中采用损失浮力法,即根据舱室的三维模型和水平面实时扣除破损舱室的浮力。

    • 为满足“老船老办法,新船新办法”的现实需求,本系统将衡准标准设计为由用户选择,在确保向下兼容的前提下,若衡准标准升级换版,则允许增加新的衡准标准选项。

      实际开发中,为了便于后续的软件维护性和可持续发展,采用了面向对象的基类–派生类技术实现该设计:将《内河船舶法定检验技术检验规则(2011)》[8]设定为基类,将后续版本的衡准标准设定为派生类,新增或修订的衡准要求在派生类中通过重载技术来实现。

      本文所提系统支持的衡准包括2011~2019年期间发布及更新的《内河船舶法定检验技术规则》[8-12],以及《特定航线江海直达船舶法定检验技术规则(2018)》[13],后续还将根据行业发展需要增加《远洋渔船法定检验技术规则(2019)》[14]等新的衡准。

    • 选取规则体(长方体、圆柱体、球体等)进行建模计算测试(与理论值对比)。图8为一个由长方体、圆台和半球体组成的组合体,其中长方体的尺寸为4 m×4 m×8 m,底面中心为(−2 m,−3 m,0 m);圆台底面圆心为(6 m,5 m,3.2 m),底面半径1.5 m,顶面半径0.35 m,高6 m;半球的半径为10 m,底部圆心为(0 m,0 m,7.5 m)。表2给出了该组合体的验证结果,体积的相对误差小于0.06%,形心垂向坐标的相对误差小于0.01%。

      图  8  规则组合体

      Figure 8.  Combination of regular bodies

      表 2  组合体的体积和形心垂向坐标

      Table 2.  Volume and centroid vertical coordinate of combination bodies

      吃水/m体积形心垂向坐标
      计算值/m3理论值/m3误差/%计算值/m理论值/m误差/%
      1.016.0016.000.000.50.5000.00
      3.048.0048.000.001.51.5000.00
      5.090.0090.020.022.6692.6690.01
      7.0127.89127.930.033.6503.6500.00
      9.0604.18604.460.057.2597.2600.01
      11.01 190.811 191.410.058.6018.6010.00
      13.01 689.481 690.400.059.5939.5930.00
      15.02 049.942 051.160.0610.35510.3550.00

      选取16艘典型实船(散货船、集装箱船、液货船、客船、工程船等)进行建模和计算测试[15](与业界认可的计算系统对比),表3图9给出了130 m旅游船和12万吨级油船的验证结果。表中cyzWX为船舶静水力计算与稳性衡准程序V 4.2版本;NAPA为一款专业稳性计算系统。由图表可得,旅游船和油船的静稳性力臂l偏差不大于0.01 m。

      表 3  旅游船和油船静稳性力臂

      Table 3.  Static stability force arm of tourist ship and oil tanker

      横倾角/ (°)130 m旅游船力臂12万吨级油船力臂
      本系统/mcyzWX/m偏差本系统/mNAPA/m偏差
      0−0.010−0.0110.001−0.144−0.1470.003
      50.5860.5870.0011.4921.4880.004
      101.1941.1930.0013.0283.0220.006
      151.4161.4160.0004.4834.4780.005
      201.2711.2750.0045.5855.5820.003
      250.9260.9320.0066.1056.1020.003
      300.4760.4850.0096.3336.3330.000
      35−0.028−0.0180.0106.3446.3420.002
      40−0.560−0.5500.0106.2526.2510.001

      图  9  旅游船和油船静稳性力臂

      Figure 9.  Static stability force arm of tourist ship and tanker

    • 本系统具备静水力计算、舱容曲线计算、完整稳性计算与衡准、许用重心高度计算、破损稳性计算与衡准、倾斜试验计算等功能。工程实践表明:本系统完全突破了船体外形的制约,可适用于任意形状的三维船体,覆盖多艉、球艏、艏升高、艉升高、凸形甲板、浮船坞等复杂和特殊船型,以及双体船、三体船、拼装船等组合船体。与此同时,本系统具备的反向框选拾取、特征点捕捉、引用表达式、命令流、智能表格等功能元素,能大幅度简化用户输入,提高建模快捷性。

      图10所示为用本系统进行建模、三维显示和计算的12艘典型实船的应用案例,其中:图(a)为高速客船,其艉部设有双隧道、舭部设有折角;图(b)为液货船,艏、艉均设有升高、舯部设有凸形甲板、并设有球鼻艏和艉轴包;图(c)为游览船,其设有三艉;图(d)为双体集装箱船,其有2个片体且每个片体还设有艉隧道;图(e)为双体客船,其设有2个片体且每个片体都带有艏升高和艉轴包;图(f)为双体观光船,其2个片体一大一小;图(g)和图(h)为浮船坞和形似浮船坞的工程船,它们在工作状态时底部浮箱沉入水中,仅剩两舷露出水面且互为孤岛;图(j)、图(k)和图(l)为多体拼装船,各拼装组合体都是单个完整的排水体。为了描述上述这些复杂的外形特征并开展计算,采用基于型值表和切面积分的传统稳性软件将非常困难,需要增设很多的加密切面和加密点,还不一定能确保计算精度,有些软件甚至完全无法实现;而使用本系统,只需按实际船体外壳形状,以三维可视化方式创建三维模型,不需要做任何特殊处理,建模简单且计算结果准确度满足工程计算需求。

      图  10  典型实船工程应用

      Figure 10.  Engineering application of typical ships

    • 本研究自主开发了三维船体建模与稳性计算系统COMPASS-iStability,该系统具备以下特点:

      1) 采用Model-View-Controller模式搭建系统,三者相对独立,降低了开发难度,提高了可维护性;

      2) 提供了三维可视、对象拾取、特征点捕捉、撤销重做、命令流等功能,既适用于一般用户进行三维图形交互式建模,也适用于熟练用户进行全船快速建模和母型船改型;

      3) 可用引用表达式代表几何坐标,可确保站线、水线等不同方向三维曲线的交点坐标保持一致,当被引用图元有修改时,后序关联图元还能随之联动更新;

      4) 实现了三维舱室参数化建模,过程中仅需指定舱室前后端面位置及端面特征点;

      5) 采用三维面网格单元积分算法实施稳性计算,相较于传统切片积分计算,不仅提高了计算准确度,而且突破了船体几何形状的限制,能适用于传统计算系统无法或难以覆盖的任意情形,包括球艏、多艉、多体、浮船坞、组合船体等;

      6) 提供多个衡准标准供用户选用,并在保证向下兼容的前提下,可根据业界发展需求增加新的衡准选项,确保了“老船老办法、新船新办法”的现实需求得以满足。

      在典型实船中的工程应用结果表明,该稳性计算系统有助于用户实现三维船体与舱室的快速建模和稳性计算,降低专业稳性计算软件的使用门槛,对于船舶工程软件的设计研发也具有重要的指导意义。在船舶稳性计算中,该软件已广泛应用于实船辅助设计、审图检验和高校教学实训,得到业界的广泛认可。

      后续将进一步提升本软件的用户友好性,继续开发和完善与其他专业建模和计算软件的接口,实现船体模型的共享和互操作;另一方面,也将在立足工程计算的基础上,新增拓展用户期待的面向设计功能,如船型变换、快速性预报与操纵性预报等。

参考文献 (15)

目录

    /

    返回文章
    返回