船舶艙室參數(shù)化設(shè)計的方法研究與軟件實現(xiàn)

劉朕明 孫 淼

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

船舶艙室參數(shù)化設(shè)計的方法研究與軟件實現(xiàn)

劉朕明 孫 淼

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

在船舶設(shè)計過程中艙室設(shè)計計算工作不僅繁瑣，而且由于迭代設(shè)計過程中的不斷更新，出現(xiàn)重復(fù)建模、分析計算結(jié)果與艙室模型不一致等問題。文章通過研究復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基于宏命令的參數(shù)化設(shè)計方法與自動刷新機制，結(jié)合艙室特點，探索艙室參數(shù)化設(shè)計方法，從而實現(xiàn)大表面、艙室和艙容計算結(jié)果的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，解決了艙室快速建模，自動更新艙容結(jié)果等問題，并通過自主研發(fā)來實現(xiàn)船舶艙室參數(shù)化設(shè)計軟件。

艙室定義；參數(shù)化分析；宏命令；復(fù)合數(shù)據(jù)

引 言

船舶分艙是船舶設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)之一，目前主要通過CAD軟件等繪制艙室二維圖紙，并運用NAPA等軟件進(jìn)行艙容分析計算，存在重復(fù)建模、數(shù)據(jù)孤島等問題［1］。如今，從CAD技術(shù)在實際設(shè)計應(yīng)用中提煉而成的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，不僅使CAD系統(tǒng)具有交互設(shè)計的功能，還使設(shè)計人員從大量繁瑣的設(shè)計繪圖、建模分析等工作中解脫出來，大大提高了設(shè)計速度。但是，傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計也有明顯不足，例如用簡單的經(jīng)驗公式代替復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，只能將外形尺寸數(shù)據(jù)作為變量參數(shù)［2］。

此外，在傳統(tǒng)設(shè)計分析軟件中，所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均為固定類型（如浮點型、整型、字符型等），所有模型都相互獨立。由于任何數(shù)據(jù)的修改只能影響其本身，因此就無法實現(xiàn)參數(shù)化。

參數(shù)化設(shè)計可以大大提高模型生成和修改的速度，相似設(shè)計及專用CAD系統(tǒng)開發(fā)方面都具有較大的應(yīng)用價值。參數(shù)化設(shè)計中的參數(shù)化建模方法主要有變量幾何法和基于結(jié)構(gòu)生成歷程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更適合于三維實體或曲面模型。不過目前常用的參數(shù)化設(shè)計CAD軟件僅僅是解決模型幾何參數(shù)之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，而船舶初步設(shè)計過程中，除模型內(nèi)部數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)外，還存在模型與模型之間的關(guān)聯(lián)。例如：艙室模型可以視作由大表面包圍而成的獨立空間，其中大表面是指船體曲面、甲板平面和艙壁對船體功能區(qū)域劃分三維曲面。所以當(dāng)大表面修改時，設(shè)計師希望通過已有的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)使艙室的形狀自動改變，并且那些存在拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的艙容數(shù)據(jù)也能隨之改變。然而，這種廣義上的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)若采用傳統(tǒng)的參數(shù)化則難以實現(xiàn)。因此本文首先通過研究復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用以表達(dá)艙室定義參數(shù)，為研究基于宏命令的參數(shù)化設(shè)計方法提供支持，從而提升描述與解析艙室?guī)缀涡螤睿?］的準(zhǔn)確性和便捷性；其次依據(jù)宏命令解析歷程，形成艙室模型與所有參數(shù)之間的拓?fù)潢P(guān)系，并設(shè)計研究艙室模型計算結(jié)果［4-5］自動刷新機制，從而提高艙室定義分析的工作效率和質(zhì)量；最終通過自主研發(fā)來實現(xiàn)艙室參數(shù)化設(shè)計軟件，將本文研究結(jié)果應(yīng)用到實際工作中。

1 基于宏命令的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)研究

1.1 艙室復(fù)合建模技術(shù)

本課題采用基于宏命令的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，其基本原理如下：

（1）通過分析將艙室的數(shù)據(jù)分解為定義數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，并采用合適的方式表達(dá)該定義數(shù)據(jù)。例如，艙室的定義采用邊界面限定的方式表達(dá)為：

Def Tank cargo

X > 10.0；

X < 20.0；

Y > 0.0；

Y < 10.0；

Z > 0.0；

Z < 10.0；

End Def

以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)一個名為“cargo”的艙室，其形狀為一個X > 10.0、X < 20.0、Y > 0.0、Y < 10.0、Z > 0.0、Z < 10.0的立方體。

（2）采用復(fù)合數(shù)據(jù)表達(dá)其中的限界值，即X > 10.0中的10.0，可采用宏命令形式表達(dá)該限界值。如x > Bulkhead#120，其中的Bulkhead#120是在肋位號120上的橫艙壁，通過系統(tǒng)對該數(shù)據(jù)的解析，可以計算出實際值10.0。在此解析過程中，系統(tǒng)就建立了Bulkhead#120與cargo的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)。所謂復(fù)合數(shù)據(jù)，是一種union數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct tagRT

{

int vt；

union

{

int intVal；

double dblVal；

CStr* strVal；

}；

} DATART；

它可以在整數(shù)、浮點數(shù)、字符串中任意轉(zhuǎn)換，而將原為字符串形式的數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的浮點數(shù)就是一個宏命令解析過程。例如：“Z<主甲板.GetH（）-1.0”可以通過函數(shù)解析，獲取主甲板高度H；再通過識別運算符號“-”，計算出H-1.0的值。

1.2 宏命令的解析方法研究

宏命令是一組指令函數(shù)和模型數(shù)據(jù)的有序集合，還是拓?fù)潢P(guān)系、參數(shù)化設(shè)計和二次開發(fā)的基礎(chǔ)。然而越是靈活便捷的宏命令，其解析難度越高。所以本課題通過對宏命令解析方法研究，將每一條宏命令分解為多個子元—Token。每個Token可分為字符型、符號型（+-*/等運算符號）和數(shù)字這三類。當(dāng)遇到字符型數(shù)據(jù)時，可轉(zhuǎn)換為函數(shù)名或模型名稱。若是函數(shù)名，則調(diào)用系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)；若是模型名稱，則查詢幾何模型數(shù)據(jù)庫和艙室模型數(shù)據(jù)庫中模型，并建立查詢所得模型與參數(shù)化模型的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)。其中，幾何模型數(shù)據(jù)庫和艙室模型數(shù)據(jù)庫中的模型可以預(yù)先添加建立，也可通過接口函數(shù)直接生成。

圖1 宏命令解析流程圖

1.3 艙容計算結(jié)果的自動刷新機制

艙容分析計算是艙室設(shè)計中重要的一環(huán)。但艙容計算結(jié)果在實際工作流程中往往會與艙室?guī)缀文Ｐ桶姹静灰恢?，而其主要原因不僅僅是缺乏艙容計算結(jié)果與艙室模型之間的拓?fù)潢P(guān)系，更是缺乏行之有效的自動刷新機制。所謂的自動刷新機制是一種通過一組用于確定設(shè)計對象的參數(shù)和拓?fù)潢P(guān)系，當(dāng)這些關(guān)系中的某些參數(shù)發(fā)生變化后，整個設(shè)計對象也會自動隨之發(fā)生相應(yīng)改變的機制。因此，為將該機制應(yīng)用于艙容分析計算，需采用全局計數(shù)器的方法來記錄艙容計算結(jié)果、艙室模型和幾何模型等數(shù)據(jù)模型的更新時間與修改時間（其中全局計數(shù)器的計數(shù)方式為任意模型執(zhí)行新建或更新操作的次數(shù)），進(jìn)而形成獨立的時間軸。

由于在建立艙室模型時，艙容計算結(jié)果已關(guān)聯(lián)到艙室模型，艙室模型也已關(guān)聯(lián)到艙室定義時使用的幾何模型，從而能形成一條時間鏈。所以當(dāng)查看艙容計算結(jié)果時，系統(tǒng)能自動獲得艙容計算結(jié)果的更新時間，然后查詢相對應(yīng)的艙室模型的修改時間和所有與該艙室模型有拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的幾何模型的修改時間。當(dāng)更新時間小于任意一個修改時間時，自動刷新艙容計算結(jié)果，其流程見圖2。

圖2 艙容計算結(jié)果自動刷新機制流程圖

2 艙室模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

艙室模型主要由三部分組成：艙室信息、艙室?guī)缀误w模型和艙容計算結(jié)果。其中，最主要的就是艙室?guī)缀误w模型，但僅用外形尺寸難以描述機艙等艙室的復(fù)雜幾何形狀，所以艙室定義數(shù)據(jù)的表達(dá)方法尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的表達(dá)方法通常有以下三種：

（1）取平均截面作為近似；

（2）用一組能近似表達(dá)各斷面形狀的有序離散點來表達(dá)；

（3）對艙壁曲面進(jìn)行描述。

第一種方法雖然簡便，但無法真實反映復(fù)雜艙室的幾何形狀。第二種和第三種方法雖然都能準(zhǔn)確表達(dá)各類艙室的幾何形狀，但這兩種方法的輸入數(shù)據(jù)需求量與斷面形狀準(zhǔn)確性成正比，所以即使采用宏命令技術(shù)也較難簡化工作量。因此，為融合基于宏命令的參數(shù)化設(shè)計方法，需提出一種能同時適用于艙室定義的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏命令技術(shù)的定義方法。

船舶艙室是一個三維立體模型，在X、Y、Z方向都應(yīng)有邊界限制，而作為限制的參數(shù)能通過宏命令引用主甲板、縱橫艙壁、船體曲面等大表面模型來描述。我們通過研究后提出艙室定義數(shù)據(jù)的表達(dá)方法是以“X ”、“Y ”和“Z ”作為標(biāo)示符，以“>”和“<”作為運算符，再以復(fù)合數(shù)據(jù)作為限制參數(shù)（如“X>0”，“X<#10+0.1”，“Y>0”，“Y<船體曲面”，“Z>0”和“Z<主甲板”）。

通過結(jié)合上述定義方法和艙室模型的數(shù)據(jù)需求，設(shè)計研究所得的艙室模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在艙室信息中記錄艙名、艙室類型等基本信息，艙室?guī)缀误w模型不僅需要記錄六面邊界定義參數(shù)和沿船長方向分布的橫剖面形狀，還需記錄拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的各類模型，從而使艙容計算結(jié)果能自動刷新艙高、容積、形心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

圖3 艙室模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 艙室參數(shù)化設(shè)計軟件功能模塊的實現(xiàn)

在船舶艙室設(shè)計過程中，主要的工作有艙室定義、艙容計算以及繪制艙室布置圖。本文實現(xiàn)的艙室參數(shù)化設(shè)計軟件的用例圖如下頁圖4所示?？紤]到在艙室設(shè)計過程中，出圖工作不僅繁瑣枯燥，還需要根據(jù)設(shè)計狀態(tài)改變持續(xù)更新，因此增加了能根據(jù)輸入的艙室定義信息自動生成并以DXF文件格式輸出的艙室布置圖功能。該功能通過調(diào)用艙室模型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，結(jié)合特定的剖切面方程組，對全船艙室自動剖切，從而生成用B樣條表達(dá)的橫向、縱向或垂向艙室邊界線，并標(biāo)注剖切位置，見圖5。

圖4 用例圖

圖5 艙室布置圖

4 結(jié) 論

本文以某艘集裝箱船為實船算例，首先根據(jù)圖紙編制宏命令，并應(yīng)用軟件接口建立全船艙室，其工作效率優(yōu)于傳統(tǒng)定義方法；然后通過人機交互修改艙室定義信息，軟件能自動更新艙容計算結(jié)果。經(jīng)多次測試證明，本軟件能完全融合基于宏命令的參數(shù)化設(shè)計方法，從而提高船舶設(shè)計階段中艙室設(shè)計等工作的質(zhì)量，并有效解決傳統(tǒng)設(shè)計分析軟件所存在的重復(fù)建模、模型和數(shù)據(jù)不一致等問題。

［1］ 楊帆，馬坤，紀(jì)卓尚. 油船參數(shù)化艙室定義方法研究［J］. 造船技術(shù)，2007（5）：20-23.

［2］ 顧曉華，仲梁維. 基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計［J］. 機械設(shè)計與制造工程，2001（7）：17-19.

［3］ 黎旭，龔春林，谷良賢，等. 基于CAD的半解析參數(shù)化幾何建模方法［J］. 計算機與現(xiàn)代化，2014（4）：1-7.

［4］ LU Cong-hong，LIN Yan，JI Zhuo-shang. Virtual tanks division and capacity calculation based on NURBS shipform［J］. Journal of Ship Mechanics，2007（3）：435-443.

［5］ 田中旭，陳曉川. 基于型值點的艙容計算［J］. 機械設(shè)計，2006（8）：25-27.

On parametric design and program of ship cabins

LIU Zhen-ming SUN Miao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The design and calculation of ship cabins are tedious in the process of ship design. Moreover, the continuous updating during the iterative design process will cause many problems, such as repeated modelling and inconsistent results between the analysis and cabin modelling. The method for the parameter design of ship cabins is explored by the investigation of the compound data structure, the parameter design method based on the macro command and automatic refreshing mechanism combining with the characteristics of the ship cabin. The calculation results of large surfaces, cabins and tank capacities can be topologically connected to achieve the quick cabin modelling and automatic updating of tank capacity, etc. The parametric design of ship cabins is fi nally programmed with independent research and development.

cabin defi nition; parametric analysis; macro command; compound data

U662，TP391.72

A

1001-9855（2017）02-0027-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.027

2016-09-02；

2016-09-19

劉朕明（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶初步設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)。孫 淼（1987-），女，助理工程師。研究方向：船舶初步設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)。