張 怡， 王 靖 ， 金嬌輝

(1 中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農業(yè)部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；3 青島海洋科學與技術試點國家實驗室深藍漁業(yè)工程裝備技術聯(lián)合實驗室，山東 青島 266237)

隨著經濟社會的發(fā)展，漁業(yè)船舶(以下簡稱漁船)設計的要求會越來越向商船靠攏。漁船結構設計的基礎是船體結構計算書的編制及基本結構圖的設計。以往漁船設計中的船體結構計算主要是依據規(guī)范手工計算或者編制Excel表格計算，每個船型的計算都需要重新對照規(guī)范條文逐行編制計算公式并校核。在整個船舶設計領域，很多船型都有相對應的結構設計軟件。如針對內河鋼質船，浙江省交通科學研究院曾在1996年開發(fā)了《內河鋼船建造規(guī)范》計算機管理系統(tǒng)[1]；針對散貨船、雙殼油船共同結構規(guī)范，中國船級社開發(fā)了CSR-SDP軟件[2]；針對海上單體高速客船，武漢理工大學王瑤等[3]開發(fā)了海上單體高速客船結構規(guī)范設計系統(tǒng)；針對玻璃鋼游艇，江蘇科技大學張新生[4]開發(fā)了玻璃鋼游艇結構與強度設計校核及優(yōu)化系統(tǒng)。

在漁船結構設計領域，針對原中華人民共和國漁業(yè)船舶檢驗局《鋼制海洋漁船建造規(guī)范(2015版)》(以下簡稱2015版建造規(guī)范)[5]開發(fā)的設計校核軟件還未見公開報道。此外，中國船級社在機構調整前頒布的規(guī)范，也并無漁船結構的相應章節(jié)?？紤]到將來頒布新的建造規(guī)范是在2015版建造規(guī)范基礎上進行更新，故針對2015版建造規(guī)范開發(fā)漁船結構計算軟件是有必要的。

為滿足漁船結構規(guī)范設計要求，漁船結構計算軟件包含所有使用該軟件的船型數(shù)據庫，以便歸納整理及基于母型船的漁船結構設計，附帶規(guī)范校核計算與材料選型模塊，便于設計人員選擇合適的結構件進行設計，自動生成送審結構計算書等，便于將計算結果裝訂成冊。因此，該軟件具有易于使用、計算準確、可及時根據規(guī)范要求更新、可追溯計算結果、生成的送審文件風格統(tǒng)一等特點。

1 軟件需求分析

軟件需求分析應基于滿足設計要求考慮，依托規(guī)范進行開發(fā)，考慮到將來規(guī)范更新，先預留更新升級接口，實現(xiàn)系統(tǒng)可擴展性。根據漁船設計現(xiàn)狀，確定總體目標與需求為：1)船型備份，便于基于母型船變換計算；2)有規(guī)范條文的依據2015版建造規(guī)范計算，要求直接計算的部分可手動輸入有限元計算結果或在系統(tǒng)中直接計算；3)材料選型并校核計算；4)導出可送審的結構計算書；5)操作簡便，界面友好；6)便于升級緊跟最新規(guī)范。

2 軟件功能的模塊設計與實現(xiàn)方法

2.1 軟件功能模塊設計

依據漁船結構設計流程、規(guī)范，參考其他類似船舶結構設計規(guī)范，并根據軟件與計算機相關開發(fā)要求，進行軟件的功能模塊設計工作。該軟件共分為船型數(shù)據庫、結構設計、材料選型、送審文件導出和輔助功能5大模塊。具體功能模塊如圖1所示。

2.2 實現(xiàn)方法

漁船結構計算軟件按圖2所示流程圖實現(xiàn)：1)輸入船型要素，或從數(shù)據庫中導入船型要素；2)結構強度計算；3)材料選型計算(可自動或手動選擇材料)；4)對選擇好的滿足結構強度要求的材料進行規(guī)范校核；5)若不滿足2015版建造規(guī)范，回到步驟3)重新進行材料選型計算；6)所有結構均滿足2015版建造規(guī)范，生成滿足送審格式的結構計算書，同時生成全船材料數(shù)據庫；7)將計算數(shù)據結果保存至全船材料數(shù)據庫中；8)打印結構計算書。

根據圖2，漁船結構計算軟件研發(fā)的關鍵是數(shù)據庫的設計與訪問控制。ADO.NET數(shù)據訪問體系結構是一種重要的數(shù)據訪問模型，其互操作性好、可伸縮性強，專門用于結構松散、本質非鏈接的Web應用程序[6]。C#語言是有鮮明特點的面向對象編程語言，C#+ADO.NET模式能實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據庫的操作[7-8]。為滿足船型備份的需求，及便于系統(tǒng)緊跟規(guī)范持續(xù)更新，漁船結構計算軟件主要采用Microsoft ADO.NET+C#語言環(huán)境，基于SQL Server 2008數(shù)據庫進行開發(fā)。其中C#用于開發(fā)系統(tǒng)用戶界面及實現(xiàn)計算功能；SQL Server用于保存船型數(shù)據、計算過程的數(shù)據及用于選型的材料數(shù)據；而PDF結構計算書導出功能采用基于C#的iTextSharp類庫實現(xiàn)。

圖2 漁船結構計算軟件開發(fā)流程圖

3 軟件實現(xiàn)的關鍵技術

3.1 船型數(shù)據庫設計

數(shù)據庫設計的基本過程可分為需求分析、概念設計、邏輯設計及物理設計[9]。概念設計即概念結構設計，是把用戶需求抽象為模型表示的過程[10]。而邏輯設計即邏輯結構設計，對數(shù)據庫設計起著十分重要的作用[11-12]。船型數(shù)據庫不僅包含設計人員數(shù)據庫，更包含每一具體漁船從設計計算到選材的詳細數(shù)據。船型數(shù)據庫的基本實體—聯(lián)系圖(E-R圖)，如圖3所示。由于實體屬性較多，在E-R圖中僅列出較為典型的實體屬性。圖中1、n、m為實體—聯(lián)系的3種聯(lián)系關系，用來描述實體集之間的數(shù)量約束，其中1 ∶1為一對一聯(lián)系，1∶n為一對多聯(lián)系，m ∶n為多對多聯(lián)系。

圖3 船型數(shù)據庫基本E-R圖

本系統(tǒng)中，圍繞著“船型”實體展開，其他的主要還有“設計人員”、“結構部位”、“材料庫”等實體。實體間的關系如下：1)“設計人員”和“船型”之間是多對多的關系，即設計人員可以設計多個船型，單個船型也可以由不同的設計人員設計;2)“船型”和“結構部位”是一對多的關系，即同一船型有多個結構部位組成，兩個實體間由唯一的項目編號關聯(lián);3)“結構部位”和“材料庫”是一對一的關系，即同一個結構部位對應一個材料型號，兩個實體間通過材料編號關聯(lián)。

E-R圖只反應數(shù)據需求模型，與具體的數(shù)據模型和數(shù)據庫管理系統(tǒng)DBMS無關[10,13-16]。對圖2中實體與聯(lián)系轉換后結果如下：

“設計人員”包含：用戶名、密碼、姓名、編號、單位、職務等。

“船型”包含：項目編號、項目名稱、船名、圖號、設計水線長、垂線間長、計算船長、型寬、型深、設計吃水、結構吃水、肋距、規(guī)范版本、設計日期、設計時間等。

“結構部位”包含：項目編號、材料編號、部位名稱、部位編號、構件名稱、板厚、型材間距、船長、面板剖面積、面板寬度、垂直距離、壓頭、半徑、直徑、跨距、型深、結構吃水、剖面模數(shù)、慣性矩、集中載荷、上方支柱負荷、設計航速、主機功率、彎矩、剪力、扭矩、系數(shù)0、系數(shù)1、系數(shù)2、系數(shù)3等。

“材料庫”包含：材料編號、材料類型、材料牌號、材料名稱、型材高度、型材寬度、型材厚度、型材剖面積、理論重量、慣性矩、重心軸距離、帶板寬、帶板厚、總面積、連帶板慣性矩、連帶板剖面模數(shù)、連帶板慣性半徑、直徑或邊長、外徑、壁厚等。

SQL Server數(shù)據庫表信息的維護使用由DataGridView控件來實現(xiàn)，該控件可以很方便地實現(xiàn)數(shù)據表信息的增、刪、改等基本操作[17]。

3.2 結構設計模塊的實現(xiàn)

結構設計模塊分兩條線進行設計，分為依照2015版建造規(guī)范中的計算公式進行尺寸校核計算，以及依照2015版建造規(guī)范，由直接計算來確定尺寸[5]。圖4、圖5分別為兩種計算的流程圖。而直接計算又分為直接輸入由有限元計算軟件獲得的構件最大剖面模數(shù)W與剖面慣性矩I[18-21]，以及根據結構力學簡化模型之后直接在系統(tǒng)中計算構件最大剖面模數(shù)W與剖面慣性矩I[22]。為提高系統(tǒng)運行效率，每個構件只在計算校核完成之后才將該構件的相關參數(shù)存入船型數(shù)據庫中。

3.3 材料選型模塊的實現(xiàn)

材料選型模塊分為從材料庫中選擇預設的材料進行選型，以及通過校核確定使用的材料保存至材料庫中計算船型對應的表格里，即具備材料選型與材料保存兩大功能。

圖4 依據規(guī)范計算流程圖

圖5 直接計算流程圖

根據多年漁船設計經驗，鋼質漁船船體結構主要由板材和型材組成。而型材主要是角鋼、鋼管、圓鋼和球扁鋼。故材料選型主要是將以上4種型材的相關參數(shù)依據《機械設計手冊》[23]錄入材料庫中。板材直接在材料庫中錄入常用的3～36 mm板厚規(guī)格。結構計算模塊中遇到需要通過材料選型模塊選型的時候，可通過單選框的模式詢問設計人員，是采用系統(tǒng)中預設的成品型材還是通過自制腹板面板來焊接成組合T型材。若選擇采用系統(tǒng)中預設的成品型材，則直接通過材料選型模塊選擇合適的規(guī)格進行校核；若采用的是組合T型材，則通過手動輸入腹板高度、腹板厚度、面板寬度、面板厚度進行校核。

經過校核計算符合設計要求的材料，無論是型材還是板材，統(tǒng)一保存至材料庫中該計算船型對應的表格中，保存時，材料特有屬性只保存材料類型與牌號，除此之外，還需保存剖面模數(shù)、慣性矩等計算值。

實際上保存材料庫的時候還需考慮到計算可能會涉及到修改與刪除的情況，或者設計使用的是基于母型船的變化方法，這在數(shù)據庫中是非空的。具體代碼不在本文中贅述。

3.4 送審文件PDF導出與打印的實現(xiàn)

軟件計算完成的結構，無論是在數(shù)據庫中保存還是在軟件內部呈現(xiàn)，雖可直接用于設計基本結構圖，但無法用于船檢部門檢驗使用，故符合送審要求的文件導出是最終軟件開發(fā)完成的標志之一?；贑#.NET可以導出多種格式的送審文件[24-29]，如果是純粹的SQL Server數(shù)據庫內容，導出采用EXCEL表格的形式是適合的，而送審文件不僅是數(shù)據的羅列，整個送審文檔需要列清每一部位對應的規(guī)范條款與計算結果，并顯示材料選型的校核結果。使用iTextSharp類就可以很好地實現(xiàn)這樣的功能，并對生成的PDF文件進行編輯、加密、模板打印等功能。使用iTextSharp類導出PDF格式結構計算書的關鍵步驟如下：1)在C#.NET中引入iTextSharp類；2)生成Document類的實例，創(chuàng)建StrCalc.pdf文件(即結構計算書)；3)創(chuàng)建PDF文件流；4)使用Open方法打開當前文檔；5)用Add方法添加具體內容。其中，Paragraph為段落類，Table為表格類，HeaderFooter為頁眉頁腳類，F(xiàn)ont為字體類，Cell為單元格類；6)使用Close方法關閉當前文檔，則PDF文檔會自動保存StrCalc.pdf文件至指定文件夾中。

通過對PDF文檔的格式化編輯，生成統(tǒng)一格式的結構計算書，并利用iTextSharp中的setencryption函數(shù)對PDF進行加密、通過相應的常量來控制文檔是否允許打印、修改、拷貝等，完善軟件導出PDF版本結構計算書的功能。

3.5 其他輔助功能的實現(xiàn)

其他輔助功能諸如板材統(tǒng)計、型材統(tǒng)計、系統(tǒng)數(shù)據管理等功能通過C#.NET調用SQL Server數(shù)據庫的方法實現(xiàn)。系統(tǒng)更新采用調用AppUpdater組件的方式在系統(tǒng)打開前運行自動更新[30]，便于設計人員隨著規(guī)范的更新進行設計。

4 結論

基于C#.NET環(huán)境，結合SQL Server數(shù)據庫，解決了漁船結構計算方式落后的問題，便于結構設計人員快速、準確地依據最新規(guī)范進行結構計算與基本結構圖的設計。依據船型參數(shù)不同，軟件系統(tǒng)自動選擇適用的公式進行計算，降低了設計計算的復雜性。目前軟件初步完成，設計人員無需掌握編程技能，只需按照2015版建造規(guī)范要求參照軟件使用說明填寫各部位的各項參數(shù)即可，大大提升了漁船結構設計計算工作效率。

□