全回转推进器位置船体结构的三维精确建模研究

赵锦荣 卢园园

摘要：为了保证作业要求，海工船舶通常都配备DP动力定位系统，并会优先选用全回转推进器，而该位置的船体结构和线型都比较复杂，精确建模难度很大。本文以“海洋石油286”为实例，开展全回转推进器位置船体结构的三维精确建模的研究，获得了一套三维建模及数字放样解决方案，为相似结构建模提供参考，达到快速准确建模的目的。

关键词：全回转推进器；SPD；曲面结构精确建模；双斜

中图分类号：U664.3文献标识码：A

Modeling exactly for hull structure in azimuth thruster space

ZHAO Jinrong, LU Yuanyuan

( CSSC Huangpu Wenchong Shipyard Company Limited, Guangzhou 510715 )

Abstract: DP system usually to be equipped for Offshore Construction Vessel for operation, ship with DP system always equipped with azimuth thruster. But hull structure and lines for this space is very complicated, so it`s very difficult to modeling exactly. This paper take “Hai Yang Shi You 286” for example, attained one method for modeling exactly, this method can be applied to similar hull structures.

Key words: azimuth thruster; SPD;modeling exactly for curved structure; both transverse and longitudinal structure have inclination

1前言

海工类船舶为了获得优秀的船舶操纵性能，以及满足各DP等级的要求，一般会采用全回转推进器、侧推进器等装置。这些设备体积较大，而且定位较特殊。其中以全回转推进器装置为例，通常会采用双斜筒体的布置形式，以满足性能和布置的要求，这种形式给设备的安装定位及结构建模带来了一定的难度。

公司在建的“海洋石油286”，主推为全回转式推进器，它的基座结构为焊接连接的圆筒形式，安装定位时在横向和纵向均有倾角，并且圆筒周围附着有定位较为复杂的加强结构。分析此区域结构我们发现，运用SPD软件进行结构精确建模的关键，在于是否能够准确获得双斜结构的定位数据。

圆筒曲面上的定位数据通常难以简单快速获得，导致在快速建模时缺少必要的定位数据，曲面上附着的加强结构建模更是无法进行。设计人员传统的做法是省略定位数据的求解，采用简易的方法解决：用平面作图法表达较为复杂的曲面和定位在曲面上或斜平面上的结构，并给出大致的定位后，交予数放阶段进行手工放样，最后现场根据实际定位拉线数据安装到位。这种方法会造成结构形式表述不清，无法给其他专业提供准确的放样依据，同时也给数放以及现场施工作业增加了难度。为了解决这一难题，本课题通过“海洋石油286”的实际建模研究，结合几何求解计算，得出了一套快捷准确的筒体结构建模方法。

2结构建模难点分析

以“海洋石油286”为例，根据详细设计的尾部结构图及设备资料，推进器基座及加强结构形式为：圆柱形筒体、筒体上端电机平台及平台下加强肘板、法兰面处的平台及加强圈、筒体底部肘板，如图1所示。

（1）圆柱筒体，是一个沿船长、船宽方向均有倾斜角度的圆柱形结构，即中心轴线双斜的圆柱。

（2）垂直于筒体中心轴线的斜平面结构，如图1中E-E剖面图以及F-F、G-G、H-H、J-J所示剖面位置。

（3）筒体周围的肘板结构，如E-E剖面所示。筒体上端电机平台下，按照一定的圆心角，布置有垂直于斜平面的肘板加强。

可见，建模所需解决的难点有：①双斜圆柱的中心轴线的确定；②截交圆柱斜平面的定位；③肘板的定位。

3定位数据的求取方法

3.1双斜圆柱的中心轴线的确定

简化模型，将中心轴线置于任意三维空间内，可以得到图2所示形式。根据两点确定一条直线的方法，确定A、B两点的空间坐标即可确定轴线。

图2中心轴线置于任意三维空间内得到的形式

根据设备资料，已知点A坐标（X1，Y1，Z1），轴线沿船长方向倾斜角为α，沿船宽方向倾斜角为β，圆柱的直径为 D，A、B两点距离为a，求B点（X2，Y2，Z2）。

当a值确定时，根据图2可得：

ΔX2+ΔY2+ΔZ2=a2

ΔX==ΔZ2·tan a

ΔY==ΔZ2·tan β

其中：ΔX、ΔY、ΔZ为点B与点A的相对坐标值。

求解上述方程得：

（1）

由A （X1，Y1，Z1）、B（X2，Y2，Z2） 两点坐标，即可确定双斜圆柱的中心轴线。

3.2截交圆柱斜平面的定位

根据任意三点确定一平面原理，为了得到截交圆柱且垂直于中心轴线的斜平面，必须求得斜面上另外两点M1（X3，Y3，Z3）、M2（X4，Y4，Z4）的坐标。为了方便计算，取点M1为斜平面在XOZ平面上的点，取 点M2为斜平面在YOZ平面上的点。

图3m1·m2为任意值

根据图3，计算求得：

M1坐标：（2）

M2坐标：（3）

由B、M1、M2三点坐标，即可确定轴线上B点对应的斜平面。

由于点B可为圆柱中心轴线上任意一点，我们可以根据以上的数学推导，确定过圆柱轴线任意点，且垂直于轴线的斜平面。

3.3肘板的定位

如图4，将E-E剖面平放于水平面上，即可得到肘板的定位数据。提取其中一个肘板定位，简化模型可得到面oco0，即为肘板所在的平面。平面与E-E斜平面垂直，其中θ为肘板所在斜平面的圆心角，点O（X5，Y5，Z5）、O0（X6，Y6，Z6）为圆柱中心轴线上的两点（O、O0两点与B点计算方法相同，以下不赘述），点C（X7，Y7，Z7）在圆柱上。

C点计算公式如下：

（4）

由O、C 、 O0三点坐标，即可确定肘板平面。

将以上的计算公式编入Excel表格中，设计人员只要输入已知数据，即可快速得到所需定位数据。以“海洋石油286”为例,编制计算表格，见表1。

4SPD结构建模

现以“海洋石油286”为例，进行SPD尾部全回转推进器筒体结构建模。

根据结构图纸及设备资料，已知圆柱筒体轴线上的一个定位点A坐标为（FR7，9100，2353），定位基点位于筒体下方，筒体上方向船首方向偏转2o，向船舯方向倾斜5o，圆柱内径3 100 mm。

4.1SPD筒体结构建模步骤

（1）建立曲面，利用软件的直纹面模块定义圆柱面

将图1中E-E剖面设为圆柱面的基准平面，由设备资料可知，E-E平面圆心与A点的距离为a=6 079，将已知条件输入到表1中，可得基准平面截交圆柱的圆心坐标，将其作为P1点，同时也可得到基准平面的其他两点坐标，作为P2、P3点。

输入准线圆心（u，v）=（0,0），其中u值和v值表示准线平面中P1点与准线圆心的相对距离，半径D/2=1550。根据圆柱曲面的大致范围，设置曲面范围，其中柱面底部高度和顶部高度为基准平面向上拉伸和向下拉伸的长度，设置的范围一般稍大于实际值。

（2）设置曲面板缝

SPD中的曲面结构建模是利用“曲面板缝”的“端缝”和“柱缝”切割“曲面”，得到一个封闭范围，然后设置此封闭范围的板厚值，最终得到曲面板。分析结构图可以发现，此筒体上端面为正圆，下端面是圆柱与舵踵曲面相交的椭圆。

利用“平面截交线”中“三点”定义截交圆柱曲面的平面，得到筒体的上端缝；利用“两曲面的交线”定义筒体的下端缝。利用“主平面”定义其他两条柱缝。

（3）定义曲面板

在曲面板定义中，获取上述“端缝”和“柱缝”板缝，输入板厚，即可得到圆柱筒体结构。

4.2斜板架建模

在图1中，E-E、F-F、G-G、H-H、J-J剖面，以及E-E剖面下的肘板结构均为斜板架。将剖面的位置信息输入到表1中，即可得到定义斜平面所需的三点坐标。然后利用“平面板架”的“定位面”属性，将三点坐标输入至“三点定位斜平面”中，即可得到所求斜平面。实际模型见图5。

图5实际模型

5SPD结构放样

结构建模完成后，利用软件的“零件展开”功能，即可得到曲面、斜平面结构放样数据，同时也可以查看零件展开后准确的形状与尺寸，见图6。

图6曲面及斜平面展开后的形状及尺寸

6结束语

通过对全回转舵桨圆筒形基座的SPD建模方法的研究，解决了双斜圆柱筒体的定位，以及周围加强结构精确建模的问题，高效地完成了结构建模及出图任务。该方案具有普遍适用性，可应用于全回转推进器、带角度的侧推筒体等具有大型筒体的结构建模。

参考文献

[1] 同济大学. 高等数学[M]. 北京: 高等教育出版社. 2001.

[2] 宋卫东. 解析几何[M]. 北京: 高等教育出版社. 2003.

作者简介：赵锦荣（1981-），男，工程师。主要从事船体设计工作。

卢园园（1982-），女，工程师。主要从事船体设计工作。

收稿日期：2014-01-09