肖 明 張 卓

（上海船舶研究設計院，上海201203）

AUTOCAD高級功能及二次開發(fā)在舵系設計上的深入應用

肖 明 張 卓

（上海船舶研究設計院，上海201203）

作為目前船舶專業(yè)仍不可或缺的設計工具，AUTOCAD軟件的高級工具如樣條曲線、三維建模、擴展數(shù)據(jù)等功能十分強大，結合二次開發(fā)程序，可開發(fā)適合各種專業(yè)的設計工具。舵系是舾裝設計的重要部分，在舵系計算的程序化、舵葉結構的三維化、鑄鋼件三維參數(shù)化等方面已開發(fā)出各種輔助設計工具，這些工具的運用，已逐步深入到舵系設計的各個方面。

AUTOCAD；AUTOLISP；VISUAL LISP；高級功能；二次開發(fā)；舵系設計

Abstract:With its powerful functions of spline,3d model,extended data and etc.,AUTOCAD is a fundamental design tool for naval architects.Combining the secondary development programs,we could make specialized tools for different disciplines.Rudder system is an important part of outfitting.Various auxiliary means such as programmatic calculation of rudder system,3D model tool of rudder structure and casting were developed,devoting to design of rudder system.

Keywords:AUTOCAD；AUTOLISP；VISUAL LISP；advanced function application；secondary development；rudder design

0 前言

AUTOCAD是目前船舶專業(yè)重要的設計工具之一，隨著版本的不斷更新，其功能越來越強大。它的高級功能如帶屬性塊、動態(tài)塊、擴展數(shù)據(jù)、樣條曲線、三維建模等方面在設計中運用十分廣泛，結合二次開發(fā)程序 AUTOLISP、VISUAL LISP、VBA等語言的使用，其專業(yè)化工具的開發(fā)及應用不僅使設計效率得到很大提高，并且在設計方法的深入和設計思路的開闊上都有很大的幫助。

舵系是舾裝設計的重要內容，包括舵系計算、舵系布置、舵葉結構、舵葉零件等設計。通過AUTOCAD的二次開發(fā)程序應用，在舵系計算的程序化、舵葉結構的三維化、鑄鋼件三維參數(shù)化等方面有諸多設計方法的創(chuàng)新，開發(fā)出相應實用和高效的設計工具。

本文對這些方法和工具進行詳細介紹。

1 AUTOLISP/VISUAL LISP的簡介

AUTOLISP是AUTOCAD內部的二次開發(fā)語言，是基于LISP語言衍生的一種程序語言。LISP是人工智領域使用的語言之一。它的發(fā)明人約翰·麥卡錫在20世紀60年代的一篇數(shù)學論文讓其大放異彩，其簡單的數(shù)據(jù)結構和獨特的編程思想在業(yè)界中備受關注。AUTODESK公司在早期引入AUTOLISP作為AUTOCAD的二次開發(fā)語言，已使得該軟件使用者開發(fā)出大量的套裝系統(tǒng)和應用程序。VISUAL LISP是AUTOLISP的發(fā)展，提供了AUTOLISP的集成開發(fā)環(huán)境，擴展了函數(shù)庫，增加了各種實用的功能，使得AUTOLISP在AUTOCAD二次開發(fā)中如虎添翼，前景更為廣闊。AUTOLISP/VISUAL LISP有如下特點值得我們關注。

1）AUTOLISP繼承了LISP語言的特點，使用簡單的數(shù)據(jù)結構表（list）來表示代碼和數(shù)據(jù)。AUTOCAD對象可以通過圖元（entity）的格式，根據(jù)DXF組碼的定義來描述圖元數(shù)據(jù)的各種性質。這種格式同樣采用表（list）的結構。因此，通過LISP語言的語法可以方便對圖元的數(shù)據(jù)進行處理。例如，一段直線的圖元數(shù)據(jù)line_list如下所示：

（（-1.＜圖元名：7ffffb09140＞）（0."LINE"）（330.＜圖元名：7ffffb039f0＞）（5."1C04"）

（100."AcDbEntity"）（67.0）（410."Model"）（8."0"）（100."AcDbLine"）（10 937.42 3669.69 0.0）（11 10827.6 3669.69 0.0）（210 0.0 0.0 1.0））

上述圖元數(shù)據(jù)中的括號（）即表示一個list表，圖元數(shù)據(jù)由各種list表組成，例如（0."LINE"）是一個表對，其中0表示圖元類型，"LINE"表示該圖元為直線，表（10 937.42 3669.69 0.0）中的“10”表示該直線的起點，“937.42 3669.69 0.0”即起點坐標，表（11 10827.6 3669.69 0.0）中的“11”表示該直線的端點，“10827.6 3669.69 0.0”即端點坐標。ATUOLISP 提供了豐富的表處理函數(shù)，例如通過（assoc’10 line_list） 可獲取直線的起點，（assoc’11 line_list）可獲取直線的端點。

2）VISUAL LISP提供了面向對象編程的開發(fā)環(huán)境，即在AUTOLISP的基礎上增加了對ActiveX的支持，通過對象的屬性、方法、事件，使得訪問AUTOCAD的對象更為方便。例如，同樣對于一條直線，該直線作為object對象，具有StartPoint（起點）、EndPoint（端點）等屬性，通過提取這些屬性便可獲取直線的起點和端點坐標，獲取屬性的函數(shù)為（vlaget-StartPoint object）、（vla-get-EndPoint object）。 相對于圖元數(shù)據(jù)的處理，面向對象的方法更為直接和簡潔。

3）AUTOLISP程序中，變量無需類型聲明，變量是動態(tài)型的，在提高開發(fā)效率上提供了便捷之處。

4）AUTOLISP支持遞歸，在某些計算中，使用遞歸可使得程序結構更為簡潔。

5）支持DCL語言設計程序對話框。

6）通過Command函數(shù)，可執(zhí)行AUTOCAD的幾乎所有的命令。該方法對于熟悉AUTOCAD的使用者來說，提供了一個非常靈活的開發(fā)模式。

7）提供了圖形對象增加擴展數(shù)據(jù)等外部數(shù)據(jù)的途徑。圖形對象除了本身的基本數(shù)據(jù)外，可以根據(jù)格式要求賦予用戶所需的擴展數(shù)據(jù)，對于專業(yè)化程序的開發(fā)來說，圖形對象中特殊數(shù)據(jù)的賦予，是數(shù)據(jù)保存和傳遞的一個便捷的方式，在參數(shù)化設計中得到了有效的運用。

2 舵系計算的程序化

舵系計算是舵系設計中的重要一環(huán)，是設計前期不可或缺的步驟，主要包括舵型的選擇、舵面積、舵葉輪廓線尺寸的確定、舵葉線形的選擇、舵力及舵扭矩計算、舵桿或舵銷尺寸的確定、舵葉強度校核、壓入量計算等過程。由于舵系設計與船舶操縱性、快速性、舵槳配合、結構強度、舵機選型等諸多因素相關，舵系計算需要反復推敲，計算步驟往往需要進行多種舵型尺寸方案的比較，從而得出優(yōu)化方案，因此計算量較大，有必要通過軟件實現(xiàn)其步驟的程序化，從而提高設計效率，并保證數(shù)據(jù)的可靠性。

針對以上需要，開發(fā)出兩種模式的舵系計算程序：

1）一種是對話框式的計算工具（見圖1）。該程序可根據(jù)不同船級社的規(guī)范要求，在圖形環(huán)境中選擇舵葉輪廓線和輸入必要的參數(shù)后，得到常規(guī)的全懸掛舵和半懸掛舵的主要計算結果，包括舵面積、舵力、扭矩、舵桿或舵銷直徑等數(shù)據(jù)。扭矩可為舵機選型提供依據(jù)。該過程可將設計參數(shù)和計算結果輸出至AUTOCAD圖形環(huán)境中，其中設計參數(shù)可供下次計算使用。

圖1 舵系計算對話框

2）第二種模式是以適合各個船級社的舵系計算書模板為基礎，通過數(shù)據(jù)和圖形尺寸的修改進行計算結果的更新。該模板為標準舵系計算書的圖形格式，所有參數(shù)均在AUTOCAD圖形環(huán)境內以文本和圖形對象通過擴展數(shù)據(jù)的形式提供，從而可被程序識別調用和計算。擴展數(shù)據(jù) （Extended data）是AUTOLISP二次開發(fā)中提供的一種數(shù)據(jù)格式，它可以被賦予到任何圖形對象中，其含義在于，圖形對象除了普通圖元數(shù)據(jù)外還可以通過擴展數(shù)據(jù)增加該圖形對象的附加信息，且可以通過程序調用。與屬性（attribute）相比，雖然后者也可以作為一種附加信息的賦予，卻只能被塊（block）對象所定義引用。因此，擴展數(shù)據(jù)是一種更為靈活的數(shù)據(jù)賦予形式，通過定義和管理，可方便地運用于各種應用程序中。AUTOLISP提供了各種類型的擴展數(shù)據(jù)，如字符串型、整型、點的列表形式等，如果擴展數(shù)據(jù)以字符串的格式賦予到圖形中某數(shù)字文本對象，則可以將該字符串與應用程序的某變量名相關聯(lián)，從而通過獲取該數(shù)字文本的值對該變量名進行賦值，即實現(xiàn)了圖形環(huán)境中的參數(shù)傳遞。

例如，對數(shù)字文本“185”添加如下的擴展數(shù)據(jù)：（-3（"rudder calculation"（1000."LBP"））），其中"rudder calculation"為擴展程序登記名，1000表示字符串格式的擴展數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)為"LBP"，于是，可以通過程序在圖形中調用該文本的擴展數(shù)據(jù)，實現(xiàn)LBP=185的賦值過程。

本計算書模板可提供舵面積、舵力、舵扭矩、各種舵系零件尺寸、舵葉強度校核、壓入力和壓入量等全部計算過程，只要修改模板中舵葉輪廓線的外形尺寸，以及代表相關參數(shù)文本的值，即可通過程序更新模板的計算結果。該計算書模板可作為完整的正式圖紙進行輸出。

另外，還開發(fā)了壓入量計算的獨立程序。該程序提供對話框的形式，輸入?yún)?shù)即可計算出舵桿舵銷液壓連接的壓入量和壓入力，見圖2。

圖2 壓入量計算

3 舵葉結構的三維參數(shù)化

考慮到不同船型的需要，舵葉橫剖面線形也不盡相同，常用的線形有NACA、茹科夫斯基、HSVA等，考慮到空泡的影響，還有基于NACA線形推出的NACA 63A/64A等，在提供各種線形型值的前提下，以AUTOCAD的樣條曲線（spline）形式即可精確生成舵葉橫剖面線形。針對舵葉結構圖各高度橫剖面輸出的需要，開發(fā)了舵葉線形生成程序。生成工具對話框見圖3。

圖3 舵葉線形生成工具對話框

該程序可通過選取上下兩個截面的直線，便捷地生成不同高度的舵葉橫剖面型值。該程序提供了不同厚度比的各種常用舵葉線形及型值的顯示，通過點的個數(shù)可控制末端部分的光順過渡，并提供了末端形式的選擇。目前可提供的線形包括NACA、茹科夫斯基、HSVA MP71/73、NACA 63A/64A/65A，可以根據(jù)需要增加新的舵葉線形的型值，從而擴展該程序的運用范圍。該工具生成的線形可配合舵系計算程序進行舵葉強框件部分的強度校核計算。

在AUTOLISP中生成圖形對象，有以下三種方法可以實現(xiàn)。

1）使用Command函數(shù)，即根據(jù)AUTOCAD的生成樣條曲線的命令、選項及表達式，在Command函數(shù)里將每一個參數(shù)順序傳給AUTOCAD以響應提示。對于生成樣條曲線spline的命令，該函數(shù)的形式可以為（Command“spline”pt1 pt2 pt3……起點切向、端點切向）。這種方法對于熟悉AUTOCAD的使用者而言非常實用，但是要注意數(shù)據(jù)類型要與AUTOCAD命令響應一致，并且要注意AUTOCAD版本變換后導致的某些命令格式的變化，因此帶來程序兼容性的問題。

2）使用entmake函數(shù)定義圖元對象，即通過圖形圖元數(shù)據(jù)的構造進行圖形的生成，例如對于一個圓的生成，函數(shù)的格式為（entmake′（（0."CIRCLE"）（62.1）（10 4.0 4.0 0.0）（40.1.0）））。 在圖元數(shù)據(jù)表中，0表示圖元類型，62表示顏色，10表示圓心，40表示半徑。當然，一個圓的完整圖元數(shù)據(jù)是不止這些的，但是在提供構造圖元必要的參數(shù)后，其他參數(shù)將作為默認值賦予生成的圖元對象。使用該方法必須熟悉圖元的DXF組碼格式。對于簡單圖形，只需提供少量的必要數(shù)據(jù)即可生成圖形，而對于復雜對象，例如樣條曲線，由于要提供各個點的坐標、切向、擬合公差和權值等參數(shù)，該方法并不實用。

3）使用ActiveX方法提供的函數(shù)。VISUALLISP提供了面向對象的生成圖形的方法，對于樣條曲線spline， 生成函數(shù)為 （vla-AddSpline object ptsarray starttan endtan），其中object是生成的空間（模型空間、圖紙空間、塊），ptsarray是點坐標值的變量，starttan和endtan分別是起點切向和端點切向。該方法直觀、簡潔，但是要注意變量的數(shù)據(jù)格式要求。對于某些特性，可能在生成對象沒有體現(xiàn)，此時可以在生成對象后對這些特性進行修改。

對于以上三種方法，可以根據(jù)程序的實際需要各取所長，靈活運用。

AUTOCAD在2008及以上版本提供了三維放樣（loft）功能。該功能可實現(xiàn)舵葉外板三維實體的生成，結合舵葉線形生成工具，還開發(fā)出了舵葉外板三維實體生成工具。其對話框和生成的舵葉外板三維實體見圖4。

在舵葉三維生成程序中，主要使用了Command函數(shù)的方法。由于AUTOCAD版本的升級，三維功能也逐漸增強，某些三維命令的格式也有所修改，因此也開發(fā)了基于面向對象方法的通用子函數(shù)，解決了版本兼容問題。

該工具可根據(jù)外板板厚的劃分區(qū)域生成不同板厚的舵葉外板三維實體，同時也提供了單個板厚區(qū)域的外板三維實體生成工具。生成舵葉外板后，通過其三維實體對象可查詢舵板重量，且可生成各個高度的帶外板厚度的舵葉剖面。根據(jù)舵葉線形和外板三維實體的生成，可以在AUTOCAD里生成舵葉與掛舵臂的三維模型。這對于檢查掛舵臂與舵葉的間隙，以及考核拆槳情況更為直觀和便利，見圖5。根據(jù)需要，可建出舵葉內部所有結構的三維模型，從而準確得到舵葉結構的重量，同時可以更好地理解舵葉結構和施工工藝的關系。舵葉結構三維模型，如圖6所示。

圖4 舵葉外板三維生成

圖5 舵葉與掛舵臂外形

圖6 舵葉結構三維模型

4 舵葉鑄鋼件的三維參數(shù)化建模

由于鑄鋼件的形狀不規(guī)則，因此在二維圖形環(huán)境下準確反映其結構形式和重量信息比較困難。對于舵葉鑄鋼件而言，其外形與舵葉線形相關聯(lián)，內部結構跟舵桿或舵銷的復配相關聯(lián)，鑄鋼件與舵葉連接的部分和舵板的板厚及形式相關聯(lián)，所以，在舵葉剖面線性參數(shù)化生成及舵葉三維實體生成的前提下，通過對各種舵類型鑄鋼件的類型分析，舵葉鑄鋼件具備三維參數(shù)化建模的條件。

目前已開發(fā)出常用的舵葉鑄鋼件三維參數(shù)化生成工具，參數(shù)的獲取同樣是通過擴展數(shù)據(jù)的形式在圖形環(huán)境中實現(xiàn)的。針對鑄鋼件建模，可以直接利用鑄鋼件圖紙中的尺寸標注進行擴展數(shù)據(jù)的添加，以尺寸標注文本作為輸入?yún)?shù)，從而更形象地實現(xiàn)圖形環(huán)境下的參數(shù)化賦值，如圖7所示。這是舵桿與舵葉頂端相連的鑄鋼件三視圖，圖7中的尺寸標注可以完整地表達鑄鋼件的形狀，因此，這些尺寸標注對象（或文本對象）被賦予擴展數(shù)據(jù)后，程序可調用這些尺寸或文本對應的參數(shù)變量進行賦值；通過選取必要的構造截面（這部分可通過舵葉剖面線形程序生成），就可以生成鑄鋼件的三維模型 （見圖8），而一旦修改這些尺寸標注或文本對象的值，即可生成新鑄鋼件的三維模型。

圖7 鑄鋼件三視圖

圖8 舵葉鑄鋼件三維模型

鑄鋼件的三維建?？赏ㄟ^拉伸（extrude）、放樣（loft）、裁剪（slice）、布爾運算（boolean）等方法生成，這些方法均可在程序中實現(xiàn)，從而可生成各個方向的視圖及剖面，并可查詢重量重心等信息。

5 三維實體輔助操作工具

針對三維實體及面域，開發(fā)了以下常用的輔助操作工具。

5.1 三維實體及面域物理特性查詢工具

AUTOCAD提供了三維實體及面域的一些基本物理特性的查詢，如體積、面積、質心、慣性矩等。通過二次開發(fā)，提供了更為便捷的查詢工具，如通過輸入密度實現(xiàn)的三維實體的質量、質心查詢工具，面域主慣性矩和剖面模數(shù)的查詢工具等，見圖9。

圖9 質量質心查詢工具

在舵葉強框件強度校核和掛舵臂強度校核中，可以方便地使用面域主慣性矩和剖面模數(shù)查詢工具快速地查詢到相關截面的信息，如圖10所示。圖10中A-A剖面為舵葉強框件強度校核所需考核的剖面，其B-B剖面為掛舵臂強度校核所需考核的剖面，將這些剖面建成面域（region），即可查詢到主慣性矩和剖面模數(shù)，從而可在設計初期確定舵葉輪廓線是否滿足強度要求。

圖10 舵葉強框件和掛舵臂剖面模數(shù)的查詢

5.2 三維實體投影工具

AUTOCAD提供了三維實體的投影功能。該功能可以在布局空間里設置所需投影方向的視口，然后在視口中生成相應的投影，或者在布局空間視口中激活模型空間后使用。但是目前大部分的圖紙通常是在模型空間里直接出圖，而且常規(guī)方法生成的投影處于各自視圖的平面坐標系內，生成過程較為繁瑣，不利于調用和修改。圖11所表示的是用AUTOCAD常規(guī)的方法生成的舵銷三維實體的各個視圖的投影。從圖11中可以看出，各個投影分別位于各自的空間平面內。若在平面圖里調用這些投影，則還需要在空間坐標系里進行相應的三維旋轉的操作。

圖11 AUTOCAD常規(guī)方法生成的投影

以此為基礎，開發(fā)了更為方便的投影工具。該工具可生成常用的各種視圖和用戶視角視圖的投影。這些投影均以世界坐標系為基準按塊參照的形式生成，方便圖形的調用和修改。圖12所表示的是通過該工具生成的舵銷三維模型的投影視圖，其中可見線和非可見線分別位于一個圖層，可根據(jù)出圖的需要修改各自圖層的顏色和線形。

圖12 投影生成工具生成的三維模型的投影視圖

5.3 三維實體剖面生成工具

AUTOCAD可用剖切命令（slice）獲得三維實體剖面，剖切的平面可用三點或者平面對象的方式獲取。同樣，生成的剖面也是位于空間坐標系剖切平面內。在此基礎上優(yōu)化剖面生成的方法，可直接以世界坐標系平面為基準，生成所需剖切面的塊參照對象，方便圖形的調用和修改。

5.4 布局空間視口生成工具

舵系布置圖因其節(jié)點較多的特點，可以通過布局空間的使用，提高圖紙的質量和修改的便捷性。目前AUTOCAD布局空間的使用比較成熟，但是建立布局空間視口的過程不太方便，針對專業(yè)的使用特點，開發(fā)出了便捷的圖紙布局視口的使用工具，見圖13。

通過選取模型空間的封閉多段線、圓或橢圓等圖形界限，輸入布局空間的位置和比例后，即可將模型空間圖形界限內的內容在布局空間里生成該比例的視口，通過對視口圖層、線型等設置，可獲得滿足要求的顯示結果，標注也可在布局空間里生成。如果需要修改，則只需在模型空間修改，布局視口內的部分也將自動修改。

圖13 視口生成工具

圖14表示的是舵系布置圖布局空間的局部，其中視圖2-1、2-2、2-3是以布局視口的形式生成。

圖14 布局空間的應用

6 結語

以上是AUTOCAD高級功能及二次開發(fā)工具在舵系設計上部分應用的總結。這些工具在4600TEU、3 800 TEU、2 500 TEU、5 000 PCTC、6 700 PCTC、1 400客位客滾船、2 200客位客滾船、400客位客貨船等船型舵系設計中得到了實際運用。通過比較，使用二次開發(fā)工具的設計過程，在準確程度和效率上，比傳統(tǒng)方法有很大的提高。在程序開發(fā)過程中，也逐漸萌生建立舵系設計專家智能系統(tǒng)的想法，在這個系統(tǒng)中可集成各個船級社的規(guī)范要求以及設計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，下一階段，將著手做這方面的工作。

AUTOCAD Advanced Application of Advanced Functions and Secondary Development of AUTOCAD for in Rudder Design

XIAO MingZHANG Zhuo

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

U662.9

A

1001－4624（2017）01－0006－08

2017-01-10；

2017-08-15

肖 明（1977—），男，高級工程師，長期從事船舶舾裝設計工作。

張 卓（1979—），男，高級工程師，長期從事項目管理和船舶總體設計工作。