基于HD-SHM 2005系統(tǒng)型線光順的方法研究

王亞寧，李蘭蘭

(1.黃海造船有限公司，山東 威海 264309；2.威海海洋職業(yè)學(xué)院， 山東 威海 264309)

0 引言

型線光順作為生產(chǎn)設(shè)計(jì)的第一步，也是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。型線光順的好壞，將直接影響到船體的建模、外板的展開，最終影響到船舶成型后的美觀，甚至影響到船舶的航速、阻力和振動(dòng)噪聲等性能指標(biāo)。目前，船舶企業(yè)在將設(shè)計(jì)院提供的初始型線轉(zhuǎn)換到HD-SHM 2005船體型線光順系統(tǒng)過程中，可通過以下兩種方式來實(shí)現(xiàn)[1]。一是將型值表中的型值手工輸入HD-SHM 2005型線光順系統(tǒng)中。該方法工作量較大，且輸入過程容易出錯(cuò)?，F(xiàn)僅對某些特殊點(diǎn)才采用該方法輸入，如空間線和甲板線的首尾端點(diǎn)。二是運(yùn)用ACAD圖形生成型線。選取某根ACAD曲線，將其轉(zhuǎn)換成型線，即可將該型線與水線、縱剖面或站線交點(diǎn)輸入到相應(yīng)的型值表中。該方法操作簡單且實(shí)用。

通常初始型線較為稀疏，運(yùn)用ACAD圖形生成的型線，有些部位無法與初始型線相重合，因此需要額外增加各種型線來解決。型線增加越多，轉(zhuǎn)換的效果越好，但隨著型線的增加，型值點(diǎn)也在增加，后續(xù)光順的工作量也就越大。本文研究的主要目的是借助型線光順系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理機(jī)理，適當(dāng)引入數(shù)學(xué)軟件的輔助建模，探索通過增加最少的型線達(dá)到最好的效果。

1 建模及模型改進(jìn)

型線包括橫向剖面線(又稱站線)、縱向剖面線(簡稱縱剖線)、水平剖面線(簡稱水線)、空間曲線。本文將通過建模分別進(jìn)行分析，并得到相應(yīng)的結(jié)論。

1.1 站線模型

對于無平行中體的船型，前后半船劃分時(shí)需要重疊2站，即后半船從11站至船艉，前半船從9站至船艏。前后半船分別對9～11站進(jìn)行光順，光順完后，前后半船拼接成全船，此時(shí)需保證重疊部分的各站線和肋骨線上的水線半寬和縱剖線高度型值必須一致[2]。

1.1.1建立模型

為便于結(jié)果驗(yàn)證，首先選取某船型線較為規(guī)則的縱剖面進(jìn)行研究，得到模型結(jié)果后再通過其他型線變化復(fù)雜的剖面進(jìn)行可靠性分析。某船縱剖面如圖1所示。

圖1 某船縱剖面

若僅將9、10、11站定位為站線，通過ACAD曲線生成[3]的型線拼接后效果如圖2所示。

圖2 前后半船型線拼接

將9～11站局部放大后如圖3所示。圖中，虛線為后半船型線，實(shí)線為前半船型線。

1.1.2模型改進(jìn)對比

從圖3可知，在9～11站間局部出現(xiàn)了12 mm偏差，勢必影響將來前后半船拼接，因此可采取提前在9～11站間將肋位定位成站線的方法來解決。圖4將31、32、33、35、36、37肋位定義成站線[4]，運(yùn)用ACAD圖形生成的前后半船型線可完全重合。

圖3 局部放大

圖4 插入站線后縱剖面

1.2 縱剖線模型

為了表達(dá)水線端部形狀，型線圖中有時(shí)會(huì)給出水線圓頭R值。在操作中需將R值填入到水線控制信息表中，這個(gè)過程相當(dāng)于通過增加控制點(diǎn)來控制水線圓頭。但在進(jìn)行光順前處理時(shí)，會(huì)丟失R值范圍內(nèi)部分型值?？紤]將來艏柱板的放樣，采用加密縱剖線的方式來控制曲度較大的水線端部，效果更好。

1.2.1建立模型

圖5為某小型漁船水線面。若僅按定義18、19、20站線和水線圓頭R，生成的型線如圖6所示，其中實(shí)線為初始型線，虛線為生成的型線。

圖5 為某小型漁船水線面(單位：mm)

圖6 生成型線與初始型線比較

1.2.2模型改進(jìn)對比

依據(jù)越靠船舯越密的原則，為更好地控制水線，增加縱剖線50、100、200、300、450 mm，生成的型線與初始型線基本重合，而且增加縱剖線有利于艏柱外板的放樣。兩型線比較圖如圖7所示。

圖7 生成型線與初始型線比較

1.3 水線模型

對于雙艉鰭船型，初始型線在艉軸出口處水線和縱剖線相對稀疏，不足以控制站線，可適當(dāng)增加水線和縱剖線。

某客貨船艉部橫剖面圖如圖8所示。在初始型線基礎(chǔ)上增加2 500 mm水線和5 500、4 500、3 500 mm縱剖線，運(yùn)用ACAD圖形生成的型線將更接近初始型線。

圖8 某客貨船艉部橫剖面

1.4 空間線模型

空間線是控制船型的重要曲線，有折角線、切點(diǎn)線、輪廓線三種類型，而輪廓線又分為平面輪廓、側(cè)面輪廓和橫向輪廓。所有的空間線作為三向光順時(shí)的控制曲線，因此空間線的準(zhǔn)確性和光順程度對船舶至關(guān)重要。

在有折角的位置均增加折角型空間線。艉鰭部位的站線最低點(diǎn)可視情況增加輪廓線。另外，將底平線和邊平線定義成切點(diǎn)線。

1.4.1建立模型

對于無設(shè)計(jì)縱傾的船舶，型線中基線作為全船最低點(diǎn)，但在光順過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分型線低于基線的情況，如圖9所示。雖然通常僅超出幾毫米，但在實(shí)際建造中，超出部分將影響外板的安裝，導(dǎo)致外板與肋板存在間隙，或者需要將超出部分剔除并打磨光滑，增加大量工作量。同樣，舷側(cè)也會(huì)出現(xiàn)型線超出半寬的情況。

圖9 某橫剖面線低于基線

1.4.2模型改進(jìn)對比

經(jīng)過實(shí)踐操作，在底平線(即基線)和平邊線(即半寬縱剖線)粗光順后，將其重復(fù)定義成切點(diǎn)型空間線即可解決。解決后效果如圖10所示。

圖10 解決后效果

1.5 控制點(diǎn)模型

由于HD-SHM 2005系統(tǒng)采用自動(dòng)排序型值點(diǎn)生成型線，因此其排序效果取決于型值點(diǎn)的分布情況。在一般情況下，自動(dòng)排序都能圓滿地得出正確的型線，但是對于一些彎度特別大的型線(如雙艉鰭船)，則會(huì)出現(xiàn)不正確的排序，導(dǎo)致型線圖形出現(xiàn)錯(cuò)誤，這時(shí)可以加入控制點(diǎn)來控制型線的排序，以得出正確的型線。

1.5.1建立模型

圖11為通過ACAD曲線轉(zhuǎn)換后的站線，其走向錯(cuò)誤。

圖11 某根走向錯(cuò)誤的站線

1.5.2模型改進(jìn)對比

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)有好多出處走向錯(cuò)誤，比如首尾端點(diǎn)錯(cuò)誤、折角點(diǎn)走向錯(cuò)誤。

(1)首尾端點(diǎn)的定位。要想整條型線走向正確，首尾端點(diǎn)首先要定位好。為了方便調(diào)整型線，綜合對比影響型線端點(diǎn)的因素[5]后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)主要因素對控制型線端點(diǎn)的定位有較好的結(jié)果：一是控制點(diǎn)，二是型值表。

可以在艉鰭左側(cè)增加個(gè)控制點(diǎn)，并將控制點(diǎn)類型修改為X方向一般、Y方向走向C，并不斷修改該控制點(diǎn)的位置，直至站線與0縱交點(diǎn)成為端點(diǎn)為止。修改后型線如圖12所示。

這種增加控制點(diǎn)的方法可以較好地定位端點(diǎn)，且有效地減少走向錯(cuò)誤的折角點(diǎn)。雖然改善了原始走向錯(cuò)亂的型線，但是端點(diǎn)定位的精確度不夠高。

通過研究文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)，可以通過直接設(shè)置型值點(diǎn)的位置來控制端點(diǎn)。多次實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，將型線的預(yù)設(shè)端點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置在型值表的E7H/E7B位置，可精確定位型線的端點(diǎn)。不管是增加控制點(diǎn)還是定位型值表，結(jié)果都是可以較好地定位型線的端點(diǎn)，后者實(shí)際運(yùn)行的效率更高，效果如圖12所示。

圖12 增加控制點(diǎn)后的站線

(2)端點(diǎn)定向后型線在2 500 mm和3 500 mm水線之間還可能存在局部交叉的情況，如圖13局部放大。

在2 500 mm和3 000 mm水線間利用數(shù)學(xué)技術(shù)MATLAB擬合計(jì)算出增加控制點(diǎn)的數(shù)值，類型仍為X方向一般、Y方向一般。修改該控制點(diǎn)位置，直至該區(qū)域走向正確位置，然后修改控制點(diǎn)類型，將Y方向改成走向C，如圖14所示。

2 穩(wěn)定性分析

調(diào)用不同船型和不同位置上的型線可考察型線圖像的走勢，分析系統(tǒng)誤差，從而驗(yàn)證上述結(jié)論的穩(wěn)定性。經(jīng)驗(yàn)證，本文總結(jié)的光順規(guī)律不管外界條件如何變化，針對不同種錯(cuò)亂的型線，在HD-SHM 2005光順系統(tǒng)中具有廣泛的適用性，且經(jīng)過嚴(yán)格的誤差分析表明，光順后型線與原始型線的誤差在可控范圍之內(nèi)。

圖13 局部放大

圖14 走向正確的站線

3 常用型線光順方法歸納

通過對各種船型進(jìn)行對比光順仿真模擬,本文所得到結(jié)論歸結(jié)為：型線光順應(yīng)從不同的方向分別討論參數(shù)的設(shè)置。

(1)縱剖線方向光順，可將肋位定位成站線來解決。

(2)水線方向光順，通過增加縱剖線能更好地控制水線。

(3)為了表達(dá)水線端部形狀，采用加密縱剖線的方式來控制曲度較大的水線端部，效果更好。

(4)站線方向光順，對于雙艉艉鰭船型，初始型線在艉軸出口處水線和縱剖線相對稀疏，不足以控制站線，可適當(dāng)增加水線和縱剖線。

(5)空間線模型，在有折角的位置均增加折角型空間線。艉鰭部位的站線最低點(diǎn)可視情況增加輪廓線。另外，可將底平線和邊平線定義成切點(diǎn)線。

(6)控制點(diǎn)模型，改變首尾端點(diǎn)錯(cuò)誤的問題。一是可以在型線主部負(fù)方向增加控制點(diǎn)，并將控制點(diǎn)類型修改為X方向一般、Y方向走向C；二是將型線端點(diǎn)的預(yù)設(shè)坐標(biāo)直接設(shè)置在型值表中的E7H/E7B位置上。兩種方法效果相似，后者的實(shí)際操作更高效。局部型線發(fā)生錯(cuò)亂，借助MATLAB擬合曲線，找出合適的控制點(diǎn)控制局部型線的走勢。

4 結(jié)語

型線光順是船舶企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文研究的生產(chǎn)設(shè)計(jì)是基于HD-SHM 2005型線光順系統(tǒng)，設(shè)計(jì)院提供的原始型線不能直接用于生產(chǎn)，必須要轉(zhuǎn)換到HD-SHM 2005系統(tǒng)中，才能進(jìn)行后續(xù)的建模、放樣、下料、控制等流程。型線在轉(zhuǎn)換的過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生錯(cuò)亂。本文分別從站線、水線、縱剖線三個(gè)方向多種因素展開仿真建模，通過計(jì)算研究表明，不同類型的型線光順要點(diǎn)不盡相同。