基于CATIA二次开发的浅吃水肥大船隧道双艉型线参数化设计

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(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

随着内河船舶尺度的逐渐增大，船舶对螺旋桨推力的要求越来越大。对于内河浅吃水肥大船来说，由于吃水的限制，螺旋桨的直径往往达不到船、机、桨三者配合所要求的最佳值。在所限定的范围内，螺旋桨的直径越大，则推力越大。因此，增大螺旋桨直径的安放空间是内河货船艉部型线设计的目标之一[1]。同时，为适应内河航道弯曲多变的航行条件，提高船舶的操纵性，我国的内河货船一般将船长控制在较短的范围内，导致平行中体的长度往往不够大。内河货船的艉部型线设计不仅要考虑推进效率的影响，还需保持丰满的线型以弥补平行中体长度不够造成的排水量不足。因此，保持丰满的型线，尽量减小艉部排水量损失也是内河货船艉部型线的设计目标。

1 浅吃水肥大船隧道艉的变换思路

隧道艉型是将艉部纵剖线设计成隧道，使得船艉在螺旋桨的桨盘处具有较大的高度，相较其它艉型，能为螺旋桨的直径提供更大的安放空间，从而能为内河浅吃水肥大船舶的提供更大推力。自从双桨推进成为内河货船的主要推进形式后，隧道艉型也变演变成了双隧道艉型。典型的双隧道艉型的横剖面见图1。

图1 常规型隧道艉原理示意

这种横剖面的特征为舷侧浸深t1较小，既能满足舷侧不吸入空气的要求，又能使舷侧水流流向桨盘，增加螺旋桨的供水，提高螺旋桨的推进效率。但是该形状并不丰满，使得船艉的排水量较小，不能满足内河浅吃水肥大船舶艉部丰满排水量的要求。基于此，通过加大舷侧浸深，使横剖面形状逐步变得丰满，加大艉部排水量，得到能够满足浅吃水肥大船型要求的横剖面。见图2。

图2 深隧道艉原理示意

图2中A、B、C、D为隧道艉型的特征点。

A——隧道顶线点，每一横剖面中的该点连成线得到隧道顶线；

B——隧道过渡线点，每一横剖面中的该点连成线得到隧道过渡线;

C——隧道外线点，每一横剖面中的该点连成线得到隧道外线;

D——舭部与舷侧交线点，每一横剖面中的该点连成线得到舭部与舷侧交线。

这种艉部线型比较丰满，能提供较大的艉部排水量，从而能弥补普通隧道艉型艉部排水量的不足，而且能保持隧道艉型为螺旋桨直径提供较大安放空间的特点。

2 隧道艉模型的建立

2.1 隧艉各形状控制线

隧道艉的形状由纵向和横向特征控制线所决定[2]。上述4点形成的4条控制线为纵向特征控制线，即隧道顶线、隧道过渡线、隧道外线和舭部与舷侧交线；横向则选取隧道起始处，桨盘处和船艉处的横剖线作为横向控制线。

2.1.1 纵向特征控制线

1)隧道顶线。这是一条位于隧道对称面上的平面曲线。如图3中的线ABC。

2)隧道外线。位于隧道底部的外沿，是舭部与船底的交线，为一条空间曲线。如图3中的线DEF。

3)隧道过渡线。从横剖面上来看，隧道过渡线上的点是隧道顶线与隧道外线连接线的拐点，这一系列从隧道首至尾的连线拐点形成了隧道过渡线，为一条空间曲线，如图3中的GHI。

4)舷侧与舭部交线。为舷侧面与舭部的交线。随着艉部型线的收缩，该线在高度方向的走势逐渐增大，如图3中的JKL。

图3 浅吃水肥大船舶隧道艉形状控制线

2.1.2 横向特征控制线

1)隧道起点处横剖线。隧道纵向控制线各起点的连线，如图3中的ADGJ。

2)桨盘处横剖线。桨盘处的横剖线如图3中的BEHK。

3)隧道艉部横剖线。隧道艉部横剖线的形状与桨盘处横剖线形状的类似，如图3中CFIL。

2.2 CATIA中曲线形状的控制

曲线的形状不仅取决于曲线上的点的位置以及该点的切矢方向，还由该点的模长值所决定[3]。通过相同的点，在各点处有相同的切矢，但是点的模长值不同，则曲线的形状也是不同的。模长值的概念见图4。

图4 模长值对曲线形状的影响示意

某点处的模长值表征曲线在该点的贴近程度，模长值越大，则贴近程度越大。图4中三条线在两端的模长值自上而下逐步减小。

在选定各控制曲线的控制点位置，以及该点处的切矢方向和模长值之后，运用CATIA中的曲线生成方法，就能得到上述控制线的预期形状。

2.3 隧艉三维曲面的生成

当上述纵向和横向特征控制线设定好后，以横向控制线为扫掠截面，以纵向控制线为引导线进行变截面扫掠，即可生成隧艉的三维曲面。

3 隧道艉的参数化设计方法

基于上述隧艉生成方法,对CATIA进行二次开发,编制隧艉参数化设计程序，以CATIA为工作平台，快速地生成隧道艉的三维曲面模型。隧道艉型具有双向曲度，形状比较复杂，而CATIA的曲面造型能力强大, 可简化曲面生成的编程工作。

3.1 CATIA的二次开发技术

访问CATIA分为进程内访问和进程外访问，这两种访问方式为外部程序提供了不同的接口。

3.1.1 进程内访问

CATIA软件与脚本在同一进程中运行。因此可以在CATIA环境下通过菜单记录宏,记录好的宏将生成一个相应的脚本,由CATIA的脚本引擎来解析执行宏脚本的命令。通过修改,编辑该脚本即可达到用户定制的目的。

3.1.2 进程外访问

CATIA通过COM接口实现与外部应用程序的通信。此时脚本运行不由CATIA来调用，而是将CATIA作为一个OL(object linking and embedding)自动化服务器。由VB等编程语言编译的外部程序通过对宏脚本命令的记录和修改，实现对CATIA的二次开发。

3.2 开发方法

进程外访问允许用户自行编制外部应用程序，设计流程均可由外部程序的可视化操作来体现，而只将CATIA作为外部程序的服务平台来实现用户目的。因此，允许用户自行编制外部应用程序的进程外访问往往更能满足用户二次开发的需求。

VB是CATIA支持的主要开发语言之一。采用VB编制的宏脚本能在CATIA中高效运行。而VB提供的窗体和各种控件能组合出良好的设计用户界面，让用户能方便、快捷地进行操作。

当用户界面满意时, 就可以编写VB程序代码, 其目的是告诉窗体中的控件对象需要完成的任务, 当然并不是所有对象都需要编写过程代码, 通常是那些用需要选择或键盘输入的对象需要过程代码, 如命令铵钮、单选铵钮、检查框、文本框等。代码需要在代码窗体中编写。

3.3 CATIA中的参数化建模

CATIA应用表格驱动几何图形实现这一目标。描述零件尺寸的标准数据以表格的形式存放在相应的文件中,并在表中建立数据与三维模型特征参数的联系。通过选择表中不同记录来改变几何尺寸,获得所需的零件模型。在CATIA的参数化设计中, Excel格式是经常使用的表格文件格式。客户只要将产品的特征参数制成Excel表格,通过CATIA本身自带的工具—— Design Table对表格的各条记录进行访问,实现参数的传递，进而完成参数化建模[4]。

3.4 隧艉参数化设计程序开发

以VB为编程语言，以对CATIA进行进程外访问的方式，编制出隧艉参数化设计程序。利用CATIA中表格驱动几何图形的特性，将隧艉模型的形状控制参数保存在表格中，建立模型与参数之间的关联,实现表格中参数的修改能驱动模型形状的修改。对表中参数进行分析, 选取出控制隧艉形状的主要参数,运用VB编写程序设计界面,通过参数的人工输入,进行数据的传递,驱动模型的生成,以获得预期的隧艉三维曲面模型。部分程序界面见图5～8。

图5 道艉纵向特征控制线设计界面

图6 隧道顶线参数输入界面

图7 隧道艉横向特征控制线设计界面

按照程序界面提示,输入隧艉的控制线的控制参数,就可在CATIA环境中生成隧艉曲面的三维模型。

4 实例说明

对一艘内河浅吃水肥大船进行艉型设计，其艉部主要参数的设计要求见表1。

图8 桨盘处特征控制线参数输入界面

表1 艉部主要参数设计要求

按照设计要求，程序的运行结果见图9。

该双艉隧道可安放的螺旋桨直径为3.12 m，为吃水T的1.2倍，相较其它艉型,桨直径大出了许多，同时艉部方形系数也达到了0.9，获得了较小的艉部排水量损失。

5 结论

将CATIA的运用引入到隧道艉型的设计中,得到了满足浅吃水肥大船型要求的隧道艉型。本文只是做了一些初步的研究,距离工程运用还有很大的距离,实际工程中还应考虑到艉部推进性能等因素,进行艉部型线的优化设计, 以便选择较优的方案。

图9 设计出的双隧道艉

[1] 姜次平.低转速大直径桨肥大船的后体线型[J].船舶工程. 1988, 2(1)：8-12.

[2] LAILA K. Tunnel geometry of a novel stern type for pushing twin-screw inland cargo motor ships[J] AEJ - Alexandria Engineering Journal， 2000(3)：16-21.

[3] 胡 挺，吴立军.CATIA二次开发技术基础[M].成都:电子工业出版社,2006.

[4] 陈靖芯，徐 晶.基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用[J].机械设计，2003，20(08):48-50.