基于Solid Edge 二次開發(fā)的船舶靜穩(wěn)性分析方法

鄭亞雄

船舶靜穩(wěn)性是衡量船舶性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在計(jì)算船舶靜穩(wěn)性時，由于船舶姿態(tài)的變化，使得計(jì)算的工況多，計(jì)算量大。因此，船舶靜穩(wěn)性的計(jì)算一般都采用編程的方法來實(shí)現(xiàn)。目前國內(nèi)的靜穩(wěn)性計(jì)算程序，多是依據(jù)船舶的型值進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算的，這些算法在計(jì)算的準(zhǔn)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(jì)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(jì)算中的應(yīng)用，和實(shí)現(xiàn)計(jì)算船舶靜穩(wěn)性的原理和方法，并據(jù)此用計(jì)算實(shí)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(jì)造型復(fù)雜，容易出現(xiàn)相對零碎地曲面和實(shí)體，幾何造型和實(shí)體處理對于準(zhǔn)確進(jìn)行船舶性能的計(jì)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(jì)算資源和內(nèi)存空間。Parasolid 對于復(fù)雜的三維實(shí)體的處理具備很大的優(yōu)勢，運(yùn)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(jì)的首選。

Solid Edge 是以Parasolid 作為內(nèi)核進(jìn)行開發(fā)的，廣泛的用于船舶設(shè)計(jì)和靜水性能計(jì)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(jì)算和數(shù)據(jù)處理等多種功能進(jìn)行綜合處理，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，自動化和智能化，準(zhǔn)確高效的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)完全的客戶化，如建立企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行操作。

圖1 系統(tǒng)流程圖

本文中船舶靜穩(wěn)性計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(shí)體模型的修改和測量，在本程序中這些操作占耗費(fèi)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(jì)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(biāo)系和隨水線面變化的運(yùn)動坐標(biāo)系，這兩個坐標(biāo)系間通過旋轉(zhuǎn)變換得到，可以用坐標(biāo)基底地的變換來表示。假設(shè)某點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(yùn)動坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（ξ，η，ζ）。由于在本文中船舶的運(yùn)動姿態(tài)只考慮縱搖和橫搖運(yùn)動，不考慮首搖運(yùn)動，在坐標(biāo)系中表現(xiàn)為繞z 軸的旋轉(zhuǎn)角ψ=0。在運(yùn)動坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)對Solid Edge的文檔操作，實(shí)體建模，測量計(jì)算等。本程序包括數(shù)據(jù)輸入，模型處理，計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)算模塊界面

3 計(jì)算分析

以某水密高抗傾覆船型為例，計(jì)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(yàn)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(yàn)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(jì)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(jì)算，能將各種工況下的靜穩(wěn)性特點(diǎn)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(xiàng)重要指標(biāo)，從表1 中的結(jié)果來看，本程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果趨勢與實(shí)際相符，能反映目標(biāo)船型的靜穩(wěn)性特點(diǎn)和返回指標(biāo)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(jì)者在設(shè)計(jì)時就能通過運(yùn)行本程序，及時得到靜穩(wěn)性的相關(guān)信息，提高設(shè)計(jì)和計(jì)算效率。

表1 穩(wěn)性消失角理論值與試驗(yàn)值對比

4 結(jié)論

通過使用Visual Basic 對Solid Edge 進(jìn)行二次開發(fā)，將船舶靜穩(wěn)性計(jì)算的功能集成到三維CAD 軟件中，使其更適合于船舶設(shè)計(jì)和研發(fā)，大大提高了計(jì)算的效率和精度。同時，本方法可以進(jìn)一步拓展到船舶的其他靜水力計(jì)算的應(yīng)用中，具有一定的實(shí)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(jìn)行船舶靜穩(wěn)性計(jì)算提供了保障。