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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

隨著內(nèi)河船舶尺度的逐漸增大，船舶對(duì)螺旋槳推力的要求越來(lái)越大。對(duì)于內(nèi)河淺吃水肥大船來(lái)說(shuō)，由于吃水的限制，螺旋槳的直徑往往達(dá)不到船、機(jī)、槳三者配合所要求的最佳值。在所限定的范圍內(nèi)，螺旋槳的直徑越大，則推力越大。因此，增大螺旋槳直徑的安放空間是內(nèi)河貨船艉部型線設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一[1]。同時(shí)，為適應(yīng)內(nèi)河航道彎曲多變的航行條件，提高船舶的操縱性，我國(guó)的內(nèi)河貨船一般將船長(zhǎng)控制在較短的范圍內(nèi)，導(dǎo)致平行中體的長(zhǎng)度往往不夠大。內(nèi)河貨船的艉部型線設(shè)計(jì)不僅要考慮推進(jìn)效率的影響，還需保持豐滿的線型以彌補(bǔ)平行中體長(zhǎng)度不夠造成的排水量不足。因此，保持豐滿的型線，盡量減小艉部排水量損失也是內(nèi)河貨船艉部型線的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 淺吃水肥大船隧道艉的變換思路

隧道艉型是將艉部縱剖線設(shè)計(jì)成隧道，使得船艉在螺旋槳的槳盤(pán)處具有較大的高度，相較其它艉型，能為螺旋槳的直徑提供更大的安放空間，從而能為內(nèi)河淺吃水肥大船舶的提供更大推力。自從雙槳推進(jìn)成為內(nèi)河貨船的主要推進(jìn)形式后，隧道艉型也變演變成了雙隧道艉型。典型的雙隧道艉型的橫剖面見(jiàn)圖1。

圖1 常規(guī)型隧道艉原理示意

這種橫剖面的特征為舷側(cè)浸深t1較小，既能滿足舷側(cè)不吸入空氣的要求，又能使舷側(cè)水流流向槳盤(pán)，增加螺旋槳的供水，提高螺旋槳的推進(jìn)效率。但是該形狀并不豐滿，使得船艉的排水量較小，不能滿足內(nèi)河淺吃水肥大船舶艉部豐滿排水量的要求。基于此，通過(guò)加大舷側(cè)浸深，使橫剖面形狀逐步變得豐滿，加大艉部排水量，得到能夠滿足淺吃水肥大船型要求的橫剖面。見(jiàn)圖2。

圖2 深隧道艉原理示意

圖2中A、B、C、D為隧道艉型的特征點(diǎn)。

A——隧道頂線點(diǎn)，每一橫剖面中的該點(diǎn)連成線得到隧道頂線；

B——隧道過(guò)渡線點(diǎn)，每一橫剖面中的該點(diǎn)連成線得到隧道過(guò)渡線;

C——隧道外線點(diǎn)，每一橫剖面中的該點(diǎn)連成線得到隧道外線;

D——舭部與舷側(cè)交線點(diǎn)，每一橫剖面中的該點(diǎn)連成線得到舭部與舷側(cè)交線。

這種艉部線型比較豐滿，能提供較大的艉部排水量，從而能彌補(bǔ)普通隧道艉型艉部排水量的不足，而且能保持隧道艉型為螺旋槳直徑提供較大安放空間的特點(diǎn)。

2 隧道艉模型的建立

2.1 隧艉各形狀控制線

隧道艉的形狀由縱向和橫向特征控制線所決定[2]。上述4點(diǎn)形成的4條控制線為縱向特征控制線，即隧道頂線、隧道過(guò)渡線、隧道外線和舭部與舷側(cè)交線；橫向則選取隧道起始處，槳盤(pán)處和船艉處的橫剖線作為橫向控制線。

2.1.1 縱向特征控制線

1)隧道頂線。這是一條位于隧道對(duì)稱面上的平面曲線。如圖3中的線ABC。

2)隧道外線。位于隧道底部的外沿，是舭部與船底的交線，為一條空間曲線。如圖3中的線DEF。

3)隧道過(guò)渡線。從橫剖面上來(lái)看，隧道過(guò)渡線上的點(diǎn)是隧道頂線與隧道外線連接線的拐點(diǎn)，這一系列從隧道首至尾的連線拐點(diǎn)形成了隧道過(guò)渡線，為一條空間曲線，如圖3中的GHI。

4)舷側(cè)與舭部交線。為舷側(cè)面與舭部的交線。隨著艉部型線的收縮，該線在高度方向的走勢(shì)逐漸增大，如圖3中的JKL。

圖3 淺吃水肥大船舶隧道艉形狀控制線

2.1.2 橫向特征控制線

1)隧道起點(diǎn)處橫剖線。隧道縱向控制線各起點(diǎn)的連線，如圖3中的ADGJ。

2)槳盤(pán)處橫剖線。槳盤(pán)處的橫剖線如圖3中的BEHK。

3)隧道艉部橫剖線。隧道艉部橫剖線的形狀與槳盤(pán)處橫剖線形狀的類似，如圖3中CFIL。

2.2 CATIA中曲線形狀的控制

曲線的形狀不僅取決于曲線上的點(diǎn)的位置以及該點(diǎn)的切矢方向，還由該點(diǎn)的模長(zhǎng)值所決定[3]。通過(guò)相同的點(diǎn)，在各點(diǎn)處有相同的切矢，但是點(diǎn)的模長(zhǎng)值不同，則曲線的形狀也是不同的。模長(zhǎng)值的概念見(jiàn)圖4。

圖4 模長(zhǎng)值對(duì)曲線形狀的影響示意

某點(diǎn)處的模長(zhǎng)值表征曲線在該點(diǎn)的貼近程度，模長(zhǎng)值越大，則貼近程度越大。圖4中三條線在兩端的模長(zhǎng)值自上而下逐步減小。

在選定各控制曲線的控制點(diǎn)位置，以及該點(diǎn)處的切矢方向和模長(zhǎng)值之后，運(yùn)用CATIA中的曲線生成方法，就能得到上述控制線的預(yù)期形狀。

2.3 隧艉三維曲面的生成

當(dāng)上述縱向和橫向特征控制線設(shè)定好后，以橫向控制線為掃掠截面，以縱向控制線為引導(dǎo)線進(jìn)行變截面掃掠，即可生成隧艉的三維曲面。

3 隧道艉的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

基于上述隧艉生成方法,對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),編制隧艉參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，以CATIA為工作平臺(tái)，快速地生成隧道艉的三維曲面模型。隧道艉型具有雙向曲度，形狀比較復(fù)雜，而CATIA的曲面造型能力強(qiáng)大, 可簡(jiǎn)化曲面生成的編程工作。

3.1 CATIA的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

訪問(wèn)CATIA分為進(jìn)程內(nèi)訪問(wèn)和進(jìn)程外訪問(wèn)，這兩種訪問(wèn)方式為外部程序提供了不同的接口。

3.1.1 進(jìn)程內(nèi)訪問(wèn)

CATIA軟件與腳本在同一進(jìn)程中運(yùn)行。因此可以在CATIA環(huán)境下通過(guò)菜單記錄宏,記錄好的宏將生成一個(gè)相應(yīng)的腳本,由CATIA的腳本引擎來(lái)解析執(zhí)行宏腳本的命令。通過(guò)修改,編輯該腳本即可達(dá)到用戶定制的目的。

3.1.2 進(jìn)程外訪問(wèn)

CATIA通過(guò)COM接口實(shí)現(xiàn)與外部應(yīng)用程序的通信。此時(shí)腳本運(yùn)行不由CATIA來(lái)調(diào)用，而是將CATIA作為一個(gè)OL(object linking and embedding)自動(dòng)化服務(wù)器。由VB等編程語(yǔ)言編譯的外部程序通過(guò)對(duì)宏腳本命令的記錄和修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)CATIA的二次開(kāi)發(fā)。

3.2 開(kāi)發(fā)方法

進(jìn)程外訪問(wèn)允許用戶自行編制外部應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)流程均可由外部程序的可視化操作來(lái)體現(xiàn)，而只將CATIA作為外部程序的服務(wù)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶目的。因此，允許用戶自行編制外部應(yīng)用程序的進(jìn)程外訪問(wèn)往往更能滿足用戶二次開(kāi)發(fā)的需求。

VB是CATIA支持的主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言之一。采用VB編制的宏腳本能在CATIA中高效運(yùn)行。而VB提供的窗體和各種控件能組合出良好的設(shè)計(jì)用戶界面，讓用戶能方便、快捷地進(jìn)行操作。

當(dāng)用戶界面滿意時(shí), 就可以編寫(xiě)VB程序代碼, 其目的是告訴窗體中的控件對(duì)象需要完成的任務(wù), 當(dāng)然并不是所有對(duì)象都需要編寫(xiě)過(guò)程代碼, 通常是那些用需要選擇或鍵盤(pán)輸入的對(duì)象需要過(guò)程代碼, 如命令銨鈕、單選銨鈕、檢查框、文本框等。代碼需要在代碼窗體中編寫(xiě)。

3.3 CATIA中的參數(shù)化建模

CATIA應(yīng)用表格驅(qū)動(dòng)幾何圖形實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。描述零件尺寸的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以表格的形式存放在相應(yīng)的文件中,并在表中建立數(shù)據(jù)與三維模型特征參數(shù)的聯(lián)系。通過(guò)選擇表中不同記錄來(lái)改變幾何尺寸,獲得所需的零件模型。在CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)中, Excel格式是經(jīng)常使用的表格文件格式。客戶只要將產(chǎn)品的特征參數(shù)制成Excel表格,通過(guò)CATIA本身自帶的工具—— Design Table對(duì)表格的各條記錄進(jìn)行訪問(wèn),實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞，進(jìn)而完成參數(shù)化建模[4]。

3.4 隧艉參數(shù)化設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)

以VB為編程語(yǔ)言，以對(duì)CATIA進(jìn)行進(jìn)程外訪問(wèn)的方式，編制出隧艉參數(shù)化設(shè)計(jì)程序。利用CATIA中表格驅(qū)動(dòng)幾何圖形的特性，將隧艉模型的形狀控制參數(shù)保存在表格中，建立模型與參數(shù)之間的關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)表格中參數(shù)的修改能驅(qū)動(dòng)模型形狀的修改。對(duì)表中參數(shù)進(jìn)行分析, 選取出控制隧艉形狀的主要參數(shù),運(yùn)用VB編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)界面,通過(guò)參數(shù)的人工輸入,進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,驅(qū)動(dòng)模型的生成,以獲得預(yù)期的隧艉三維曲面模型。部分程序界面見(jiàn)圖5～8。

圖5 道艉縱向特征控制線設(shè)計(jì)界面

圖6 隧道頂線參數(shù)輸入界面

圖7 隧道艉橫向特征控制線設(shè)計(jì)界面

按照程序界面提示,輸入隧艉的控制線的控制參數(shù),就可在CATIA環(huán)境中生成隧艉曲面的三維模型。

4 實(shí)例說(shuō)明

對(duì)一艘內(nèi)河淺吃水肥大船進(jìn)行艉型設(shè)計(jì)，其艉部主要參數(shù)的設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1。

圖8 槳盤(pán)處特征控制線參數(shù)輸入界面

表1 艉部主要參數(shù)設(shè)計(jì)要求

按照設(shè)計(jì)要求，程序的運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖9。

該雙艉隧道可安放的螺旋槳直徑為3.12 m，為吃水T的1.2倍，相較其它艉型,槳直徑大出了許多，同時(shí)艉部方形系數(shù)也達(dá)到了0.9，獲得了較小的艉部排水量損失。

5 結(jié)論

將CATIA的運(yùn)用引入到隧道艉型的設(shè)計(jì)中,得到了滿足淺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,距離工程運(yùn)用還有很大的距離,實(shí)際工程中還應(yīng)考慮到艉部推進(jìn)性能等因素,進(jìn)行艉部型線的優(yōu)化設(shè)計(jì), 以便選擇較優(yōu)的方案。

圖9 設(shè)計(jì)出的雙隧道艉

[1] 姜次平.低轉(zhuǎn)速大直徑槳肥大船的后體線型[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，吳立軍.CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].成都:電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 陳靖芯，徐 晶.基于CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20(08):48-50.