基于NAPA船舶總體穩(wěn)性快速校核程序的二次開發(fā)

隋冬臨， 張明霞

(1. 大連船舶重工集團有限公司 設計研究院， 遼寧 大連116001；2. 大連理工大學 船舶工程學院， 遼寧 大連116024)

0 引 言

當前船舶行業(yè)科技迅速發(fā)展，國際公約與標準頻繁更新，船舶所有人對技術、質量要求日益嚴格，這些因素都使我國船舶工業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。為了順應市場需求，必須加大研發(fā)力度，提高創(chuàng)新能力，開發(fā)更多有擁核心技術、引領市場的新船型。新船型的開發(fā)對設計工作提出了更高要求，一個成熟的設計方案需要投入大量人力物力進行反復設計與優(yōu)化改進?？傮w設計作為解決設計基本問題的前提，在初期船型開發(fā)時占據(jù)較為重要的地位，提高總體設計能力是船舶行業(yè)做大做強的必要條件。

在總體設計領域，船舶主尺度推算、船體布置及容積估算、穩(wěn)性校核、總縱強度計算等屬于一個系統(tǒng)的工作。在船舶初期方案設計階段，這部分內容需要隨著設計工作的推進不斷調整，以適應不同設計方案的需求。這部分工作涉及規(guī)范公約眾多，計算方法復雜，并且當前使用的計算程序也比較繁瑣，需要進行操作的選項較多，各項計算程序之間關聯(lián)性較小，在方案設計階段面對重復計算時，工作量會成倍增加，且出錯率也會隨之提升。

NAPA軟件是由芬蘭NAPA公司開發(fā)的一款船舶設計計算軟件，在船舶初期設計和詳細設計階段有著廣泛的應用。NAPA依托其自身程序命令的特點，為二次開發(fā)提供了很好的空間。利用這種優(yōu)勢開發(fā)工程中需要的程序以提高工作效率，是一個值得深入研究的課題。

目前，基于NAPA的二次開發(fā)包括型線設計、快速建模、穩(wěn)性強度校核、圖紙快速編輯、Manager開發(fā)等多個方面。姚誠鈺[2]對船體型線進行參數(shù)化設計，并通過NAPA提供的接口，將船型數(shù)據(jù)導入Fluent和Maxsurf中，對船舶水動力性能進行分析；管官等[3]建立裝載信息數(shù)據(jù)庫，依靠NAPA BASIC語言，開發(fā)用于NAPA裝載工況自動檢查的Manager程序，避免反復計算與比對工作；姚誠鈺[2]分析造船工藝設計中的建模流程，基于NAPA STEEL建立新的模型建立流程，討論其相對于其他軟件建模的優(yōu)點，應用于16 000 TEU集裝箱船的工藝設計中；在破損穩(wěn)性計算研究等方向，周煜等[4]統(tǒng)籌計算模型與數(shù)據(jù)，開發(fā)針對概率破損計算及報告輸出的程序。

針對總體穩(wěn)性初期設計工作，以某載重83 000 t散貨船為模型，開發(fā)用于靜水力及艙容計算、完整穩(wěn)性校核、總縱強度計算、干舷及視野盲區(qū)校核等內容的NAPA Manager程序，在精簡程序的同時保證其可以完成多種任務，簡練的程序構架也更便于使用者操作，并且有一定的后續(xù)開發(fā)潛力。

1 理論知識與規(guī)范公約歸納分類

為了開發(fā)完善且實用的程序，需要了解相關的國際規(guī)范公約要求，再結合理論知識，歸納總結其中核心內容，為后續(xù)程序開發(fā)提供理論基礎及研究方向。船舶總體穩(wěn)性設計以理論知識為基礎，涉及船舶靜力學、穩(wěn)性、總縱強度計算、干舷等方面的基本原理[5-6]，需要了解影響船舶各方面性能的主要參數(shù)，對船舶主尺度及分艙布置調整帶來的影響有清晰的概念。當前船舶總體設計主要遵守的國際公約包括海上人命安全公約 (SOLAS)、國際載重線公約 (ICLL)、國際防止船舶污染公約 (MARPOL)、結構共同規(guī)范 (CSR)，以及國際海事組織 (IMO)、 國際船級社協(xié)會(IACS)和世界各大船級社各自的規(guī)范要求。這些規(guī)范有一定的關聯(lián)性與互補性，在對船舶各方面性能提出要求的同時，也對設計工作有一定的指導意義。

各項校核內容與目標雖然會有較大不同，但校核需要的準備工作及參數(shù)往往有很多重合之處，整理后可明確開發(fā)程序的目標及需要關注的重點內容，并且可以使整個程序更有條理性和針對性。歸納后的內容如下：

(1) 完整穩(wěn)性

校核內容：靜穩(wěn)性曲線性能。

計算參數(shù)：船體外殼形狀，空船質量分布，裝載工況。

參考規(guī)范：IS CODE 2008。

(2) 破損穩(wěn)性

校核內容: 破損后船舶浮態(tài)及靜穩(wěn)性曲線性能，甲板及進水孔浸沒狀態(tài)。

計算參數(shù)：船體外殼形狀，艙室分艙布置，空船質量分布，破損前初始工況，破損工況，各類艙室破損滲透率，浸水孔布置。

參考規(guī)范：《1966年國際載重線公約》1988年議定書附件B修正案。

(3) 總縱強度

校核內容：各狀態(tài)下船體梁總縱強度。

計算參數(shù)：空船質量分布，裝載工況，破損工況(針對URS17)。

參考規(guī)范：IACS URS11、URS17、CSR[6-7]。

(4) 可視區(qū)域

校核內容：航行時視野盲區(qū)。

計算參數(shù)：船體外殼形狀，船體分艙布置(駕駛室觀察點位置)，裝載工況及其相應的浮態(tài)信息。

參考規(guī)范：SOLAS公約第V章第22條駕駛室可視范圍，各運河官方文件要求。

(5) 干舷校核

校核內容：船舶夏季干舷。

計算參數(shù)：船體外殼形狀，甲板以上艙室布置。

參考規(guī)范：《1966年國際載重線公約》1988年議定書附件B修正案。

2 NAPA Manager程序開發(fā)

2.1 NAPA Manager構架

根據(jù)第1節(jié)確定的開發(fā)方向，結合工作中的常用命令，將各類計算校核內容分為5大類，即：總體信息(General Data)、靜水力與艙容數(shù)據(jù)(Hydrostatics & Capacity)、完整穩(wěn)性與總縱強度校核(Intact Stability & Strength Calculation)、破損穩(wěn)性計算(Damage Stability Calculation)以及干舷計算(Freeboard Calculation)。構成第一級目錄下的幾個文件夾，如圖1所示。

圖1 Manager第一層級目錄

(1) 總體信息。此部分包括船舶基本信息表、船舶總布置視圖、空船質量分布表、觀測點(即可視區(qū)域觀測點定義)等幾個方面內容，如圖2所示。在Manager中加入這幾項內容，使設計者可以隨時查找船舶基本信息，并且在后續(xù)程序中也會用到此處的內容，初次接觸本項目的人也可以快速對項目有一個基本認識。

圖2 總體信息程序目錄

(2) 靜水力與艙容數(shù)據(jù)。此文件夾下包含船舶靜水力計算與艙容計算方面的內容，有輸出靜水力表、靜水力曲線、艙容匯總表的子程序，如圖3所示。

圖3 靜水力與艙容數(shù)據(jù)程序目錄

(3) 完整穩(wěn)性與總縱強度校核。此文件夾中的內容是關于完整穩(wěn)性與總縱強度計算的，其部分內容如圖4所示。第一部分是裝載計算匯總表格，第二部分是針對各單一載況的各種校核，包括裝載工況列表、完整穩(wěn)性及強度校核、關于URS17總縱強度曲線圖、URS17總縱強度計算列表。

圖4 完整穩(wěn)性與總縱強度校核程序目錄

(4) 破損穩(wěn)性計算。此文件夾中包括ICLL破損穩(wěn)性計算校核程序。從初始裝載工況設置到破損穩(wěn)性計算，最后輸出計算結果。程序設置如圖5所示。

圖5 破損穩(wěn)性計算程序目錄

(5) 干舷計算。 此部分用于進行干舷校核，只有1個子程序，可以直接運行輸出校核結果，如圖6所示。

圖6 干舷計算程序目錄

2.2 程序變量選擇

變量是Manager運行時最重要的參數(shù)，架起了操作界面與宏程序之間的橋梁。Manager編輯者會根據(jù)實際需求，定義若干重要變量，而設計者只需在操作界面設定當前需要的變量，再運行宏程序，即可完成計算校核任務。

第1節(jié)歸納了各種校核內容中重要的計算參數(shù)，Manager編輯者將理論知識及規(guī)范中歸納的計算參數(shù)通過變量表格置于Manager程序中，設計者就可以通過對主要參數(shù)的設置，控制相應的校核內容。從規(guī)范中提取的只是程序中的一部分變量，需要根據(jù)實際需要設置更多的變量以滿足從參數(shù)輸入到結果輸出的一系列需求。圖7為程序對于一些重要全局變量的操作界面，包括船舶基本信息、主尺度及主要計算參數(shù)。局部變量會根據(jù)需要單獨添加到子程序下。

為了使程序可以在單一方案校核與多方案校核中切換，每個方案設置1個控制變量，用于控制其所屬方案的變量是否顯示，其在操作界面中是一個按鍵式變量，名稱為“Show Project 1/2”。當其被選中時，對應方案中的變量才會被列出。這種對方案的選擇方法在后續(xù)的宏程序中也會用到。通過變量的選擇控制計算內容，最終達到控制輸出結果的目的[8-9]。

2.3 程序開發(fā)流程圖

NAPA Manager的開發(fā)過程如圖8所示，整合變量、計算函數(shù)和NAPA Basic語言編輯宏程序，之后在Manager 界面中創(chuàng)建程序構架，添加宏程序和變量表格，最終完成整個Manager程序的開發(fā)。

圖 8 NAPA Manager開發(fā)流程

3 宏程序開發(fā)及輸出結果

3.1 空船質量分布表、靜水力表和艙容表

在NAPA很多子模塊下，關于文本(LIST)結果輸出有一套相同的運行邏輯，即在Argument中設定計算參數(shù)，利用LQ與TOO命令控制輸出的項目與格式，再通過LIST命令進行結果輸出。在HYD(靜水力)、SM(總布置模型)、LD(裝載工況)、CR(完整穩(wěn)性)、DA(破損穩(wěn)性)等各模塊下，文本輸出都會用到這種命令邏輯。通過此模式輸出的列表如圖9～圖11所示。

圖9 質量分布表(部分)

圖10 多方案靜水力表

圖11 艙容匯總表(部分)

3.2 完整穩(wěn)性與總縱強度校核

船舶的每種運營工況都需要進行完整穩(wěn)性與總縱強度校核。將二者集中到一個程序下進行計算可簡化操作步驟。宏程序分為3部分，分別計算并輸出圖片格式的文件：

(1) 裝載工況圖。包括船舶中心剖面、甲板平面和內底平面，并畫出裝載工況及水線位置等。宏程序核心命令為GET @intload(讀取裝載工況)，SET get tank(讀取剖面圖)，DRW all、DRW load、DRAW wl、DRW fscale(畫出剖面、裝載工況、水線、標尺)。

(2) 完整穩(wěn)性校核列表與靜穩(wěn)性曲線圖。根據(jù)規(guī)范對衡準逐條校核，以下為針對工況初穩(wěn)心高校核的核心程序命令。

@intreqmgm=0.150

RCR v.gm0.15

@mgm=cr.assign('CRT','ATTV')

@if mgm>intreqmgm then

@intstat2='OK' @else

@intstat2='NOT MET' @endif

通過以上命令獲得關于此項衡準校核的規(guī)范需求值、實際值和校核結果等3個變量，采用同樣方法可以獲得針對其他衡準的變量。利用POL命令畫出表格，利用TEXT命令將變量寫入表格中，即完成了穩(wěn)性校核表格。靜穩(wěn)性曲線圖利用PQ、POO命令控制輸出內容與格式。

(3) 剪力彎曲表及曲線圖。這部分程序命令與第3.1節(jié)類似，都是通過LQ與PQ命令控制列表與圖形中的項目，利用TOO與POO命令控制格式，最終通過LIST與PLD輸出。有所不同的是用SLIST將文本直接輸出為圖片格式并存儲。

最終利用NAPA中的DOC.MACRO將各部分結果匯總到一個頁面中，如圖12所示。

圖 12 完整穩(wěn)性與總縱強度計算匯總圖

3.3 破損穩(wěn)性校核

對于ICLL破損穩(wěn)性計算，在程序中主要分為4個部分，分別包含在圖5的4個子文件夾[10]中：一是初始工況列表；二是參照視圖確認破損工況并且計算；三是計算后的匯總表格，主要針對船舶是否浸水及對GM值的計算；四是針對每一個破損工況、每一條衡準逐一比對校核并輸出結果。

相對于完整穩(wěn)性，破損穩(wěn)性校核需要進行計算之后才能輸出結果。此部分核心命令為

INIT INI 'Initial condition for ICLL damage'

LOAD @DAMINTACT OK

@DAMDGRT=DA.GROUPMEMBERS('DAM',@DGRT)

@N=RSIZE(DAMDGRT)

@for i=1 n

cal '@ICLI'/'@DAMDGRT(i)'

@next

以上命令利用循環(huán)函數(shù)，將初始工況與每一個破損工況進行計算。計算后再通過LQ、TOO和LIST命令輸出需要的匯總表格與分項表格。

3.4 干舷校核

船舶干舷校核需要依照規(guī)范[11]計算初始干舷值和各項干舷修正值，綜合考慮各方面影響計算后得到最終干舷值。規(guī)范已給出各項修正值的計算公式，利用NAPA中的計算函數(shù)編輯針對各項修正值的計算程序，最終輸出結果如圖13所示。

圖13 干舷校核結果頁面

4 結 語

基于理論知識與規(guī)范公約，開發(fā)了適應船舶初期設計、對總體穩(wěn)性方面內容可快速校核的NAPA Manager程序。該程序可用于在方案設計階段對不同方案進行快速校核與對比，提高計算效率，幫助設計者更清晰地選擇性能更佳的設計方案。程序構架簡潔清晰，易于操作。區(qū)別于針對單一目的的程序開發(fā)，本次開發(fā)的Manager系統(tǒng)性較強，應用更加廣泛，同時有著一定的后續(xù)開發(fā)潛力。