基于Solid Edge 二次开发的船舶静稳性分析方法

郑亚雄

船舶静稳性是衡量船舶性能的一项重要指标，在计算船舶静稳性时，由于船舶姿态的变化，使得计算的工况多，计算量大。因此，船舶静稳性的计算一般都采用编程的方法来实现。目前国内的静稳性计算程序，多是依据船舶的型值进行独立计算的，这些算法在计算的准确度和数据过程的可视化上存在一定的问题。现今，三维CAD 软件是船舶设计者必不可少的工具，三维CAD 软件提供了丰富的开发端口，可以满足用户自定义功能的需求。三维CAD 软件中成熟的几何处理功能，使得船模体积，形心等参数的测量更加精确。本文探究三维CAD 软件Solid Edge 在船舶静稳性计算中的应用，和实现计算船舶静稳性的原理和方法，并据此用计算实例来分析不同的上层建筑形式对船舶静稳性的影响。

1 Solid Edge 二次开发技术及算法

由于船舶设计造型复杂，容易出现相对零碎地曲面和实体，几何造型和实体处理对于准确进行船舶性能的计算和校核有着非常重要的影响。目前主流的CAD 软件采用的几何造型内核主要有Parasolid 和ACIS，两者各有优势。ACIS 多用于平面造型和比较简单的三维模型，能很好的节省计算资源和内存空间。Parasolid 对于复杂的三维实体的处理具备很大的优势，运行稳定，在数据转换时很少出现几何信息部分丢失现象。此外，在CAM 和CAE 中大部分软件系统都支持Parasolid 的数据格式。因而，Parasolid 几何造型内核作为船舶三维设计的首选。

Solid Edge 是以Parasolid 作为内核进行开发的，广泛的用于船舶设计和静水性能计算，提供了多种开发软件集成方案。并且，可基于ActiveX Automation 技术，使用户通过编写应用程序，来控制和操纵Solid Edge，将图形处理，模型属性计算和数据处理等多种功能进行综合处理，实现参数化，自动化和智能化，准确高效的实现功能。必须在Visual Basic 环境中引用以下Solid Edge 类型库，才能通过OLE 自动化访问Solid Edge 提供的主要对象，即Solid Edge 内部函数库。Solid Edge 为用户提供了采用标准的Windows“对象链接与嵌入”(OLE-Object Linking and Embedding)技术和“部件对象模型”(COM-Component Object Model)技术的应用程序接口(API)，这样就允许将Solid Edge 作为ActiveX Automation 应用程序的数据服务器，使Solid Edge 的功能集成到客户应用程序中，从而实现完全的客户化，如建立企业标准件库、常用零件库等，减少重复性的建模制图工作，提高工作效率。ActiveX Automation 技术通过在两个程序间安排对话，达到一个程序控制另一个程序的目的，但这种对话方式既不是双向的，对话双方也不是平等的。客户程序(Client)是开始要求对话的应用程序，服务程序(Server)是响应Client 的应用程序。ActiveX Automation 的代码在Client 上运行，而这些代码所控制的动作由Server 执行。Solid Edge 支持ActiveX Automation 技术，在VB 环境下建立的用户程序可以利用该技术直接对Solid Edge 不同层次的对象进行访问、操作和控制，即建立C/S 模式的用户应用程序。VB 作为Client 可以调用作为Server 的Solid Edge 服务程序，并根据服务程序暴露的对象进行操作。

图1 系统流程图

本文中船舶静稳性计算程序，就是基于Solid Edge 二次开发所编写的VB 应用程序。静稳性计算所采用的等排水体积法必须首先确定等体积倾斜水线，在传统计算方法中涉及修正水层的问题，而在本文所采用的方法中，则直接通过三维实体操作，做出等排水体积水线面。采用等排水体积法可以直接求得船舶在某一装载情况下的静稳性曲线图。某一姿态下的等排水体积面使用ExtrudedCutouts 函数来切割得到水下部分，并使用ComputePhysicalProperties 函数来测量水下部分体积，如果水下体积大于标准排水体积，则减少吃水，给定一个吃水极小值，通过二分法就可以快速找到满足残差要求的水线面。应用等排水体积法时，需要经过多次二分才能找到目标水线面。在这里涉及对Solid Edge 文档的反复打开和关闭操作，对实体模型的修改和测量，在本程序中这些操作占耗费时间的很大比例。系统流程图和架构图分别如图1 和2 所示。

2 静稳性计算程序

对于排水体积一定的船舶，其纵横倾角对于静稳性有着很大的影响，其姿态也是纵横倾角的耦合, 在船尾中部建立一个全局固定坐标系和随水线面变化的运动坐标系，这两个坐标系间通过旋转变换得到，可以用坐标基底地的变换来表示。假设某点在全局坐标系中的坐标为（x，y，z）分别通过绕x 轴旋转φ角，绕y 轴旋转θ 角，绕z 轴旋转ψ 角，转换到运动坐标系中坐标为（ξ，η，ζ）。由于在本文中船舶的运动姿态只考虑纵摇和横摇运动，不考虑首摇运动，在坐标系中表现为绕z 轴的旋转角ψ=0。在运动坐标系下，浮力和重力的作用线都是垂直于水线面的，即垂直于ξOη 平面。

本程序以Solid Edge 建模软件为开发对象，引用Solid Edge 所有的类型库，通过API 函数的调用，实现对Solid Edge的文档操作，实体建模，测量计算等。本程序包括数据输入，模型处理，计算测量，数据输出四大模块，具备静稳性曲线绘制，大倾角稳性测量，恢复力臂和力矩实时测量，稳性消失角测量等功能。程序界面主要提供数据输入接口，输出数据保存在和执行程序同一个文件夹内，命名为output.dat，实时图像输出采用弹出窗口，使用PSet 和Line 方式绘制静稳性曲线图，见图3-4。

图3 程序主界面

图4 稳性计算模块界面

3 计算分析

以某水密高抗倾覆船型为例，计算其在无上层建筑以及两种不同的水密上层建筑情况下的静稳性曲线，并作分析。试验采用给船模施加翻转力矩，有间断地缓慢倾斜船模，使船模不致因角速度过大而产生倾覆，直至其不具备恢复正浮状态的能力而发生倾覆。记录此时的倾斜角度，经过此次测量取平均值，即得到该船模的稳性消失角。本试验的目的是为了测量某高抗倾覆性船的抗倾覆性能，以及在不同上层建筑形式下对其静稳性的影响。

从计算结果中，可以看出降低重心高度对于提高船舶的静稳性有着显著的影响。同时不同的水密上层建筑形式对于船舶的静稳性影响也是很大的，例如框架式上层建筑形式对于提高船舶的稳性消失角具有很大的增益效果，桅杆式上层建筑使得船舶在倾覆后的力臂比较小，这也意味着使其恢复至正浮状态所需要提供的力矩也要相应的小，这就比较便于去加载一些浮态恢复的辅助装置。通过本程序的计算，能将各种工况下的静稳性特点表现出来，给分析和研究提供了参考。

稳性消失角是衡量船舶静稳性的一项重要指标，从表1 中的结果来看，本程序计算结果与实验值对比的误差能控制在较小的范围内，静稳性的理论计算结果趋势与实际相符，能反映目标船型的静稳性特点和返回指标性参数。本方法发挥了Solid Edge 在建模和图形处理上的优势，使设计者在设计时就能通过运行本程序，及时得到静稳性的相关信息，提高设计和计算效率。

表1 稳性消失角理论值与试验值对比

4 结论

通过使用Visual Basic 对Solid Edge 进行二次开发，将船舶静稳性计算的功能集成到三维CAD 软件中，使其更适合于船舶设计和研发，大大提高了计算的效率和精度。同时，本方法可以进一步拓展到船舶的其他静水力计算的应用中，具有一定的实用价值和潜力。此外，三维CAD 软件正在不断发展中，其可供二次开发的功能也越来越多，这为今后更加高效地进行船舶静稳性计算提供了保障。