CATIA二次开发实现全垫升气垫船性能计算结果的可视化

张宗科 徐圣杰

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

全垫升气垫船属于高性能船，对质量要求极为严苛。由于全垫升气垫船主要运行模式为垫升状态，船体浮箱被气垫托离于运行表面之上，所承受载荷小，为控制质量，浮箱往往采用单层底结构，为薄铝板焊接或铆接而成［1-2］。气垫登陆艇属于全垫升气垫船，需登陆越障受损概率大，为保障足够的破舱稳性，船体浮箱被划分为多个水密分舱，如美国正在研制中的新一代气垫登陆艇SSC浮箱长24.5 m×宽13.3 m×高1.42 m，划分为近百个舱室［3-4］。通过在CATIA中进行二次开发，三维直观显示破舱计算结果及其对垫升姿态的影响等，并可直观指定破舱位置及数量，查看破损进水的后果及影响，以及实船破舱状态下的辅助应急处理。船越出阻力峰垫态航行时，阻尼小，在风浪作用下，存在侧滑角，此时斜航状态下的高压气垫兴波较复杂，造成的侧向力、摇首力矩等会影响船的姿态［5］。编程实现了兴波波形及围裙下部手指触水情况的可视化，便于求取斜航时兴波对阻力、侧向力、摇首力矩以及船垫态纵、横倾角的影响。气垫船在波浪中航行时，高压充气围裙内部不同位置处的囊压、垫压变动较大，可实现测得压力的空间分布及时历变化情况的可视化。

1 破舱稳性计算结果的可视化

1.1 船体浮箱舱室划分众多

美国正在研制替代LCAC的新一代气垫登陆艇——SSC（Ship-to-shore Connector），目前首制艇正在进行海试，计划于2020年形成初始战斗力（IOC）。除作为试验艇的首制艇（LCAC-100）外，美国海军首批次订购了8艘（LCAC-101～LCAC108），随着SSC首制艇（舷号LCAC-100）于2018年4月10日开始的水上试验顺利进行，美国海军4月13日与Textron公司签订790万美元合同以订购LCAC 109～112号艇的长线材料。SSC的船体浮箱划分为94个，其中66个舱室需贯穿电缆，见表1与下页图1。

图1 美国SSC船体浮箱透视图及浮箱舱室划分

LCAC的船体浮箱设有3道纵舱壁及各肋位对应的横舱壁，划分为多个水密舱室，采用反造方法制造船体浮箱，建好后整体翻转，再插接安装驾驶舱、登陆兵舱、主机舱、垫升风机、导管空气螺旋桨等上层建筑舱室与设备。由图2可见LCAC浮箱舱室众多。

图2 美国LCAC船体浮箱结构形式、底朝天反造及其整体翻转

1.2 破舱稳性要求

正是由于气垫登陆艇船体浮箱为单层底，且需登陆越障等，受损概率大，美LCAC提出较常规排水型船更为严格的破舱稳性要求，即：纵向占刚性船长10%的船体破损，横向从舷侧破至靠近船体中心线纵舱壁；或纵向占15%刚性船长的船体破损，横向从舷侧破至20%刚性船宽，在不对称进水时保持不沉。

1.3 浮箱在CATIA中建模及舱室自动划分

利用图1中SSC舱室划分图及图3的典型横剖面图，可提取出SSC船体浮箱三维建模所需的信息。利用CATIA中的二次开发，利用提取出的信息，实现基于二维图纸的快速建模。

图3 美国SSC典型横剖面图

有了船体浮箱外壳3D模型，利用3道纵向水密舱壁、各肋位处的横向舱壁作为舱室剖分参考平面，基于CATIA.ActiveDocument.Part.HybridShapeFactory.AddNewHybridSplit（objToSplit，objBySplit， catPositiveSide）可自动剖切得到各水密舱室的6个包围界面，再融合成舱室的外壳，然后利用CATIA中的封闭曲面（ClosedSurface）函数，获得舱室对应的几何体。如SSC各水密舱室的划分效果见图4右侧。需要说明的是，利用 AddNewHybridSplit（objToSplit，objBySplit1，catPositiveSide）函数时，必须注意被切除的objToSplit与剪切参考物objBySplit相互之间的曲面法线之间的夹角关系，可通过参数catPositiveSide来调整objToSplit修剪后保留下来的部分。

图4 美国SSC船体浮箱CATIA中3D外壳模型（两侧开孔处为垫升风机气道）以及舱室分隔参考面

为方便对舱室的自动划分，依据各舱室的6个包围界面与浮箱外壳交汇次数，将整个浮箱区域划分为5类区域，如图5中不同颜色所示（风机风道开口区域除外）。同时，为便于后续处理，每个舱室形成的几何体置于单独的几何体集合内，并在产品结构树中将舱室所在的几何体名称改为对应唯一编号以便程序中自动定位调用，如肋位号_距中纵面第几个舱室（左舷编号为奇数、右舷编号为偶数），RibNo_iTank。

图5 美国SSC船体浮箱舱室区域划分及分隔效果

1.4 破舱稳性计算结果可视化

有了船体浮箱的3D模型及水密舱室划分，就可利用破舱稳性计算得到的船纵、横倾角，得到各舱室处于水线面之下的部分。为便于操作，将破舱后船中心处对应的水线面（以中心点对应的基线面上的点垂直向上平移吃水值为坐标原点构建基准水平面）作为参考表面，其构建方法如下：利用破舱后的首吃水Tf、尾吃水Ta来构建X轴，以其中心点向左舷偏移一定距离构建线段OY，将OY绕X轴旋转横倾角度φ得到Y轴，最后由X轴、Y轴得到破舱后的当量水线面。

利用此当量水线面切割各舱室，再由CATIA中的“Measure Inertia”功能得到各破损进水舱室的初始进水体积，乘以相应的舱室进水渗透率，可获得破损舱室的进水质量，从而可对破舱稳性计算的进水质量作校核。同时，由船体浮箱位于当量水线面之下的体积（排水量），应等于破损舱室的进水量加上初始排水量之和。通过实际显示单个破损舱室的进水状态，可判断该舱室内设备的淹水程度，内部设备是否处于可用状态等。利用CATIA内设立的3个用户参数变量（Tf、Ta、φ），对于不同的破损状态，只需变化这3个关键参数，可快速获得相应的破损舱室进水情况。

为方便显示破损进水舱室的位置范围，将破舱标识为不同于浮箱整体背景色的显著颜色，如红Red、黄Yellow、绿Green、青Cyan、蓝Blue、洋红Magenta、黑Black。具体实施过程如下：依据某一破损状态下破舱在该状态下的内部编号，依次设置为以上七种颜色中的一种。基于状态内部编号，利用mod函数，实现上述显著颜色组合的循环。将当前破损舱室加入当前选择SelectionI，由SelectionI.VisProperties.SetRealColor（iRed， iGreen，iBlue， 1!）函数来设置破舱颜色。对该状态下的破舱数进行循环，可得到进水总量、进水重心位置、当前状态船当量排水量，以便于破舱专用程序计算结果加以比较。CATIA中气垫船破舱进水情况显示及校核的流程框图可参见下页图7。

如图6所示，船的姿态及舱室破损进水情况可一目了然，也便于从不同角度旋转观察。需要说明的是CATIA.ActiveDocument.GetWorkbench（“SPAWorkbench”）. Inertias.Add（objProduct） 来获得objProduct的质量与质心坐标信息，只能通过CATScript程序来获得。

图6 气垫船典型破舱示意图（不同颜色代表不同破损舱室）

1.5 破舱进水对船姿态影响的快速评估

全垫升气垫船的船体浮箱结构相对薄弱，在登滩越障及风浪中进出母舰坞舱时，容易受损破坏。冲滩越障过程中船体浮箱受损后，处于水上浮态排水状态时，船体会因破舱进水而倾斜。但气垫船设有围裙气垫系统，可在非垫升的浮态排水状态与垫升状态两种不同模式下运行。在垫升状态下，船体浮箱被高压气垫托高悬浮在运行表面之上，浮箱破损处不会再进水。因此，估算浮箱破损孔洞位置以及进水量与进水时间的关系显得较为重要，短时间内的进水量及其对船垫升状态下姿态角影响的估算，可为船破损后能否快速由浮态转换为垫态安全航行提供依据。同时也可利用气垫船装备的燃油调驳系统通过调油来将船在垫升状态下压平提供参考。此外，这时可根据破损舱室的进水量与位置确定其对船体产生的纵、横倾力矩，然后由气垫船的纵向、横向垫态稳性估算出垫态航行时的最大纵、横倾角，由此判别船的垫态航行安全性。

图7 CATIA中气垫船破舱显示及校核的流程框图

由于气垫船在排水状态与垫升状态下的稳性差别巨大，排水状态下每度纵/横倾所需力矩为垫升状态下每度纵/横倾所需力矩的4倍左右，因而破舱进水对垫态航行影响显著。由于气垫船单侧垫升时产生的瞬时最大横倾角接近10°，于是可利用单侧垫升使破舱内的进水排出去一些儿，减少其对垫态航行姿态的影响。另一方面，参见下页图8，船体浮箱侧部周边下部包覆有围裙，船在水中时，不易观测破损孔洞位置及形状，可利用船垫升后的纵、横倾角值与正常无破损状态下的值作比较，大体判断破舱位置及进水量。气垫船的船体浮箱结构易破损进水，由于垫态航行的关系，每次进水量短期内可能不明显，同时存在可变载荷（人员、油水、运输装备等）变动大等因素。因此，需要较准确地掌握气垫船的空船质量及重心位置，如美国LCAC每年必须进行空船称重，并将结果记在上层建筑的铭牌内，以便随时参考使用。

图8 气垫船船体浮箱的典型破损孔洞位置示意（图中圆圈所在位置）

2 兴波计算结果在CATIA中的可视化

全垫升气垫船设有独特的围裙气垫系统，在垫升状态下，高压气流会使船底下方水面凹陷，随着航速增大，气垫兴波波形随之发生变化。在围裙下部手指末端对已的兴波波面高度不同，会产生气垫兴波阻力、侧向力、摇首力矩，引起船纵倾角、横倾角的变化。

2.1 兴波计算方法说明

目前用于气垫兴波计算的方法主要有两种：一是HUANG T T与WONG K K［6］发展的Newman& Poole［7］兴波计算方法，二是 CUMMINGS D，YEUNG R等人［8］为美国LCAC的母型船JEFF B六自由度数学模型开发的基于Kernel函数的气垫兴波实时计算方法。气垫船越出阻力峰垫态高速航行时，基本悬浮在运行表面之上，阻尼小，在外界风浪作用下易侧滑，故带侧滑角的斜航兴波是气垫船的一大特色。

图9 气垫船船首方向与前进方向（航迹向）存在侧滑角Beta

2.2 兴波计算结果可视化

为直接观察与方便获得兴波波面与围裙手指末端的相互关系，与船底中部的分隔围裙手指对应的波面升高，以及兴波在围裙气垫围线之外的分布情况（如用于气垫破冰计算），有必要实现气垫兴波波形的可视化。以下将对在Matlab以及CATIA中实现气垫兴波计算结果的可视化分别加以讨论。

2.2.1 Matlab中利用Surf函数实现可视化

在Matlab中编制显示由Fortran程序计算得到兴波波形的程序，利用Surf（X，Y，Z）函数构建三维兴波波形。需要说明的是，参数X、Y为一维行向量，而参数Z为二维矩阵，Z的行数应与Y的变量个数一致，而列数与X的变量个数一致。利用本文编制的程序首先对Zilman［9］计算得到的深水情况下气垫船斜航在不同Fr与侧滑角β时的气垫兴波阻力、侧向力、摇首力矩对应无因次系数Cx、Cy、Cm作三维显示，见下页图10。气垫船不同航速与侧滑角下的气垫兴波波形可视化效果见下页图11，另外可分别交互指定X、Y对应的显示范围。有了三维曲面，即可由Matlab中的interP2（）函数插值获得任意Fr与β下的Cx、Cy、Cm值，从而为气垫船六自由度运动数值仿真提供运动阻力的技术基础。

图10 Zilman计算得到的深水情况下斜航气垫兴波阻力及其三维可视化图形

图11 美国LCAC气垫兴波波形三维可视化图形

2.2.2 CATIA中实现兴波可视化

在CATIA中进行二次开发，将由Fortran程序计算得到的兴波数据文件读入，沿X轴、Y轴方向分别构建Polyline连接线，再利用多截面曲面（MultiLoft）函数，形成三维波面。对前述Zilman斜航兴波阻力的可视化见图12。CATIA中可方便得到兴波波面的Contour，即利用不同Zi值的水平面去剖切曲面，将形成的交贯线在水平面上投影即可，气垫船不同航速与侧滑角下的气垫兴波波形可视化效果见图13。

图12 Zilman计算得到的斜航气垫兴波阻力在CATIA中三维可视化图形（下部为等高线图）

2.3 CATIA中兴波波形可视化扩展应用

在CATIA中依据围裙手指末端所在气垫围线，求得其与气垫兴波波面的交线，得到围线前后左右两侧对应的波面高度差，可基于积分获得兴波所致阻力、侧向力、摇首力矩，以及纵、横倾角变化。如美国LCAC上装备的第一代深型柔性围裙（其上为主船体）、SSC上安装的Textron先进围裙及其气垫围线对应的兴波波高见图14。美国LCAC在阻力峰处围裙下端气垫围线对应的气垫兴波波形见图15。

图13 气垫兴波波形三维可视化图形

图14 美国LCAC、SSC围裙及其气垫围线对应兴波（红色线框所围区域）

图15 美国LCAC围裙下端气垫围线对应兴波波形以及三视图（粉色线框为对应的初始静水面初始位置Z向放大）

美国LCAC在阻力峰处，侧部围裙下部手指与 气垫兴波波面之间的相互位置关系见图16。

图16 美国LCAC围裙下端与兴波波面之间的相互关系

从图中可以发现：气垫兴波波面为近似正弦曲线，而侧部围裙下部设计为一水平直线，从而导致部分手指浸入兴波波面之内，由图可获得浸水围裙手指的湿表面积。在阻力峰处，首部及侧前部围裙手指下端与水面之间存在较大气垫泄流飞高，而侧后部围裙手指浸水。在围裙手指与水面刚好接触的侧部处，气垫泄流飞高变为0，水面受围裙手指干扰而破碎形成水花飞溅，这与气垫船船模拖航及实船航行试验中观察的水花飞溅现象较为一致。

气垫船由于其破冰能力强、破冰速度快，而成为破冰的一个有力手段。俄罗斯正在研发的自航式气垫破冰平台的破冰效果如图17所示。

有了气垫兴波的可视化，可直观地观察到兴波影响的范围，从而更好地理解其对破冰能力及破冰范围的影响。

图17 俄罗斯新型自航式破冰船破冰效果图

3 气垫压力、囊压测试结果的可视化

气垫船垫态航行时高压气垫将船体垫升在运行表面之上，外界波浪通过围裙内部气垫压力波动将载荷施加在船底结构，形成气垫减载效应［10］；同时，围裙气垫压力与大囊压力的波动也导致围裙承受动态载荷，尤其是在围裙与船体的刚性安装连接边处。因此，实时测量船在波浪中航行时的气垫压力、囊压对分析船体、围裙受力情况具有重要作用。

3.1 测试结果可视化

由于压力测点只能布置在船典型位置处，将压力测试结果可视化，可直观地观察某一时间点上压力的空间分布情况，判断气垫压力、囊压测得值的合理性。船模的压力测试值空间分布见下页图18，每组分别包含测试时段内的压力最大值、平均值、最小值。

3.2 扩展应用

基于气垫压力测试结果，可进一步获得由分隔围裙将气垫分隔形成不同气室下的压力波动变化情况，结合气垫兴波波面升高、下降对波面与气垫围线所围容积的变化，分析压力变化情况。结合记录当时的外界波浪状态，可获得波浪泵吸对气垫压力波动的影响，以及遭遇特定波长涌浪下船垂向加速度超过1g情形下，气垫压力的波动情况，为垫升系统改进提供参考。

图18 船模压力测试结果可视化

4 结 语

全垫升气垫船存在独有的围裙气垫系统，垫态航行时高压气垫将船体托离在运行表面之上，具有水陆两栖性，存在多种运行模式。垫态航行的特点使其对质量要求严苛。船体浮箱结构薄弱，登陆越障使浮箱破损风险大，只能密集划分水密舱室，但破舱安全要求较高。自身的气垫兴波引起船阻力、侧向力、摇首力矩，导致纵、横倾角变化，带侧滑角斜航时，兴波力与力矩更为复杂。自身气垫兴波、外界波浪会改变气室与水面之间的容积，引起气垫压力与囊压的波动，产生对船底结构、围裙的动载荷。本文通过CATIA中二次开发，实现破舱稳性计算结果、三维兴波波形、气垫压力测试结果的可视化，方便直观这些数值的空间分布情况，有利于对气垫船性能进行综合分析。