基于S-H剪裁算法的船舶受风面积计算

张建宝+周亿迎

摘 要：为提高计算精度，提出一种基于S-H多边形剪裁算法的船舶受风面积计算方法。依据船舶设计部门提供的船舶受风面积轮廓多边形，采用S-H算法实时和水线面求交计算，得到水线面上和水线面下的多边形，然后采用格林公式计算任意吃水及吃水差下的受风面积及风倾力臂。本文以“太行128”散货船为例，实验表明：相比于传统基于装载手册线性插值的方法，提高了计算精度，弥补了传统方法只能计算船舶平吃水下受风面积的不足，且通用性好，具有一定的工程实用价值。

关键词：船舶工程 受风面积 S-H剪裁算法 船舶稳性

1.引言

船舶受风面积曲线在船舶稳性校核时起着非常重要的作用，船舶受风面积曲线一般由船舶设计部门计算出来，以表格或者曲线形式存储在船舶装载手册中。在进行稳性校核时通常是基于装载手册通过线性插值的方法查取受风面积相关参数，但是这种方法存在着以下不足：

（1）船舶装载手册只给出部分吃水的计算值，当吃水超出了装载手册给定范围，会导致一定的误差。

（2）船舶装载手册只给出船舶平吃水的受风面积值，但是船舶在实际营运中往往存在一定的吃水差，会导致一定的误差。

（3）当装载手册中给出的受风面积表格吃水步长较大时，用线性插值值代替实际值会存在一定误差。

本文提出一种不基于装载手册的受风面积计算方法，根据船舶部门提供的船舶受风面积轮廓多边形，采用计算机图形学中的S-H剪裁算法计算船舶任意吃水差下的受风面积参数，通用性好、计算精度高，弥补了上文所述的不足。

2.S-H剪裁算法

S-H（Sutherland-Hodgman）算法也叫逐边裁剪法，该算法是萨瑟兰德（I.E.Sutherland）和霍德曼（Hodgman）在1974年提出的。这种算法采用了分割处理、逐边裁剪的方法，是一种剪裁凸多边形区的高效算法。这一方法的总体策略是顺序的将每一多边形的一对顶点送给一组裁剪器（左、右、下、上）。一个裁剪器完成对一对顶点的处理后，该边留下的坐标值立即送给下一个剪裁器，最终输出的是一个完整的多边形填充区边界的顶点队列。

在用裁剪边界对多边形的边裁剪时有四种情况需要考虑：（1）多边形边的第一端点在裁剪边界外部而第二端点在内部；（2）两个端点都在剪裁边界内部；（3）第一端点在边界内部而第二端点在边界外部；（4）两个端点都在裁减边界外部。这四种情况的输出点情况如图1所示。

船舶受风面积的轮廓可由船舶设计部门提供，一般多为AutoCAD格式，通过AutoCAD自带的函数可导出轮廓的多边形点列。

本文编写VC++程序，对S-H剪裁算法进行了验证。图2所示为“太行128”在任意吃水差下的船舶受风面积轮廓与水线面的相交情况，实验结果表明S-H剪裁算法通用性好，适用于任何船舶任意吃水差情况，包括双体船、三体船等特殊结构船舶。

4.算例

本文以散货船“太行12 8”及“SPRING COSMOS”为例，计算船舶各个吃水下的受风面积曲线，如图4所示。表1、表2为“太行128”受风面积及风倾力臂计算结果及相对误差。

从上述数据中可以看出采用本文方法的计算值和装载手册给定值相比相对误差较小，“太行128”的最大相对误差为0.045%。

5.结语

本文探讨了一种基于S-H剪裁算法的船舶受风面积计算方法，可得到如下结论：基于船舶面积轮廓和S-H剪裁算法适用于船舶任意吃水差，弥补了常规方法只能计算船舶正浮状态下的不足，提高了计算精度。文中的方法已经成功应用在自主研发的散货船装载计算机系统中，计算精度高，通用性好，具有一定的工程实用价值，其同样也可用于船舶设计软件的开发。

参考文献：

[1]赵妍，史云霞，李增光.现行荷载规范船舶排水量和受风面积的曲线拟合[J].水运工程，2013（10）：107-109.

[2]杨兴晏，陈敏.关于船舶受风面积计算方法的探讨[J].港工技术，2013，50（1）：19-21.[3]刘胜.港口系泊船舶受风高度取值问题研究[J].水运工程，2013（6）：46-48.

[4]孟宪江.受风面积对木质渔船稳性的影响[J].中国水产，2003，6：049.

[5]张平，何斌.改善船舶完整稳性的措施[J].江苏船舶，2001，2：002.

[6]林仲强.用有限元法计算移动式海洋平台的受风面积[J].中国海洋平台，1999，14（3）：10-12.

[7]樊孝远.船舶抗风能力的计算分析[J].水运科技情报，1989（4）：13-15.

[8]水面舰船受风面积计算方法.船舶行业标准（CB）CB/Z32-2004.