全回轉推進器位置船體結構的三維精確建模研究

趙錦榮 盧園園

摘要：為了保證作業要求，海工船舶通常都配備DP動力定位系統，并會優先選用全回轉推進器，而該位置的船體結構和線型都比較復雜，精確建模難度很大。本文以“海洋石油286”為實例，開展全回轉推進器位置船體結構的三維精確建模的研究，獲得了一套三維建模及數字放樣解決方案，為相似結構建模提供參考，達到快速準確建模的目的。

關鍵詞：全回轉推進器；SPD；曲面結構精確建模；雙斜

中圖分類號：U664.3文獻標識碼：A

Modeling exactly for hull structure in azimuth thruster space

ZHAO Jinrong, LU Yuanyuan

( CSSC Huangpu Wenchong Shipyard Company Limited, Guangzhou 510715 )

Abstract: DP system usually to be equipped for Offshore Construction Vessel for operation, ship with DP system always equipped with azimuth thruster. But hull structure and lines for this space is very complicated, so it`s very difficult to modeling exactly. This paper take “Hai Yang Shi You 286” for example, attained one method for modeling exactly, this method can be applied to similar hull structures.

Key words: azimuth thruster; SPD;modeling exactly for curved structure; both transverse and longitudinal structure have inclination

1前言

海工類船舶為了獲得優秀的船舶操縱性能，以及滿足各DP等級的要求，一般會采用全回轉推進器、側推進器等裝置。這些設備體積較大，而且定位較特殊。其中以全回轉推進器裝置為例，通常會采用雙斜筒體的布置形式，以滿足性能和布置的要求，這種形式給設備的安裝定位及結構建模帶來了一定的難度。

公司在建的“海洋石油286”，主推為全回轉式推進器，它的基座結構為焊接連接的圓筒形式，安裝定位時在橫向和縱向均有傾角，并且圓筒周圍附著有定位較為復雜的加強結構。分析此區域結構我們發現，運用SPD軟件進行結構精確建模的關鍵，在于是否能夠準確獲得雙斜結構的定位數據。

圓筒曲面上的定位數據通常難以簡單快速獲得，導致在快速建模時缺少必要的定位數據，曲面上附著的加強結構建模更是無法進行。設計人員傳統的做法是省略定位數據的求解，采用簡易的方法解決：用平面作圖法表達較為復雜的曲面和定位在曲面上或斜平面上的結構，并給出大致的定位后，交予數放階段進行手工放樣，最后現場根據實際定位拉線數據安裝到位。這種方法會造成結構形式表述不清，無法給其他專業提供準確的放樣依據，同時也給數放以及現場施工作業增加了難度。為了解決這一難題，本課題通過“海洋石油286”的實際建模研究，結合幾何求解計算，得出了一套快捷準確的筒體結構建模方法。

2結構建模難點分析

以“海洋石油286”為例，根據詳細設計的尾部結構圖及設備資料，推進器基座及加強結構形式為：圓柱形筒體、筒體上端電機平臺及平臺下加強肘板、法蘭面處的平臺及加強圈、筒體底部肘板，如圖1所示。

（1）圓柱筒體，是一個沿船長、船寬方向均有傾斜角度的圓柱形結構，即中心軸線雙斜的圓柱。

（2）垂直于筒體中心軸線的斜平面結構，如圖1中E-E剖面圖以及F-F、G-G、H-H、J-J所示剖面位置。

（3）筒體周圍的肘板結構，如E-E剖面所示。筒體上端電機平臺下，按照一定的圓心角，布置有垂直于斜平面的肘板加強。

可見，建模所需解決的難點有：①雙斜圓柱的中心軸線的確定；②截交圓柱斜平面的定位；③肘板的定位。

3定位數據的求取方法

3.1雙斜圓柱的中心軸線的確定

簡化模型，將中心軸線置于任意三維空間內，可以得到圖2所示形式。根據兩點確定一條直線的方法，確定A、B兩點的空間坐標即可確定軸線。

圖2中心軸線置于任意三維空間內得到的形式

根據設備資料，已知點A坐標（X1，Y1，Z1），軸線沿船長方向傾斜角為α，沿船寬方向傾斜角為β，圓柱的直徑為 D，A、B兩點距離為a，求B點（X2，Y2，Z2）。

當a值確定時，根據圖2可得：

ΔX2+ΔY2+ΔZ2=a2

ΔX==ΔZ2·tan a

ΔY==ΔZ2·tan β

其中：ΔX、ΔY、ΔZ為點B與點A的相對坐標值。

求解上述方程得：

（1）

由A （X1，Y1，Z1）、B（X2，Y2，Z2） 兩點坐標，即可確定雙斜圓柱的中心軸線。

3.2截交圓柱斜平面的定位

根據任意三點確定一平面原理，為了得到截交圓柱且垂直于中心軸線的斜平面，必須求得斜面上另外兩點M1（X3，Y3，Z3）、M2（X4，Y4，Z4）的坐標。為了方便計算，取點M1為斜平面在XOZ平面上的點，取 點M2為斜平面在YOZ平面上的點。

圖3m1·m2為任意值

根據圖3，計算求得：

M1坐標：（2）

M2坐標：（3）

由B、M1、M2三點坐標，即可確定軸線上B點對應的斜平面。

由于點B可為圓柱中心軸線上任意一點，我們可以根據以上的數學推導，確定過圓柱軸線任意點，且垂直于軸線的斜平面。

3.3肘板的定位

如圖4，將E-E剖面平放于水平面上，即可得到肘板的定位數據。提取其中一個肘板定位，簡化模型可得到面oco0，即為肘板所在的平面。平面與E-E斜平面垂直，其中θ為肘板所在斜平面的圓心角，點O（X5，Y5，Z5）、O0（X6，Y6，Z6）為圓柱中心軸線上的兩點（O、O0兩點與B點計算方法相同，以下不贅述），點C（X7，Y7，Z7）在圓柱上。

C點計算公式如下：

（4）

由O、C 、 O0三點坐標，即可確定肘板平面。

將以上的計算公式編入Excel表格中，設計人員只要輸入已知數據，即可快速得到所需定位數據。以“海洋石油286”為例,編制計算表格，見表1。

4SPD結構建模

現以“海洋石油286”為例，進行SPD尾部全回轉推進器筒體結構建模。

根據結構圖紙及設備資料，已知圓柱筒體軸線上的一個定位點A坐標為（FR7，9100，2353），定位基點位于筒體下方，筒體上方向船首方向偏轉2o，向船舯方向傾斜5o，圓柱內徑3 100 mm。

4.1SPD筒體結構建模步驟

（1）建立曲面，利用軟件的直紋面模塊定義圓柱面

將圖1中E-E剖面設為圓柱面的基準平面，由設備資料可知，E-E平面圓心與A點的距離為a=6 079，將已知條件輸入到表1中，可得基準平面截交圓柱的圓心坐標，將其作為P1點，同時也可得到基準平面的其他兩點坐標，作為P2、P3點。

輸入準線圓心（u，v）=（0,0），其中u值和v值表示準線平面中P1點與準線圓心的相對距離，半徑D/2=1550。根據圓柱曲面的大致范圍，設置曲面范圍，其中柱面底部高度和頂部高度為基準平面向上拉伸和向下拉伸的長度，設置的范圍一般稍大于實際值。

（2）設置曲面板縫

SPD中的曲面結構建模是利用“曲面板縫”的“端縫”和“柱縫”切割“曲面”，得到一個封閉范圍，然后設置此封閉范圍的板厚值，最終得到曲面板。分析結構圖可以發現，此筒體上端面為正圓，下端面是圓柱與舵踵曲面相交的橢圓。

利用“平面截交線”中“三點”定義截交圓柱曲面的平面，得到筒體的上端縫；利用“兩曲面的交線”定義筒體的下端縫。利用“主平面”定義其他兩條柱縫。

（3）定義曲面板

在曲面板定義中，獲取上述“端縫”和“柱縫”板縫，輸入板厚，即可得到圓柱筒體結構。

4.2斜板架建模

在圖1中，E-E、F-F、G-G、H-H、J-J剖面，以及E-E剖面下的肘板結構均為斜板架。將剖面的位置信息輸入到表1中，即可得到定義斜平面所需的三點坐標。然后利用“平面板架”的“定位面”屬性，將三點坐標輸入至“三點定位斜平面”中，即可得到所求斜平面。實際模型見圖5。

圖5實際模型

5SPD結構放樣

結構建模完成后，利用軟件的“零件展開”功能，即可得到曲面、斜平面結構放樣數據，同時也可以查看零件展開后準確的形狀與尺寸，見圖6。

圖6曲面及斜平面展開后的形狀及尺寸

6結束語

通過對全回轉舵槳圓筒形基座的SPD建模方法的研究，解決了雙斜圓柱筒體的定位，以及周圍加強結構精確建模的問題，高效地完成了結構建模及出圖任務。該方案具有普遍適用性，可應用于全回轉推進器、帶角度的側推筒體等具有大型筒體的結構建模。

參考文獻

[1] 同濟大學. 高等數學[M]. 北京: 高等教育出版社. 2001.

[2] 宋衛東. 解析幾何[M]. 北京: 高等教育出版社. 2003.

作者簡介：趙錦榮（1981-），男，工程師。主要從事船體設計工作。

盧園園（1982-），女，工程師。主要從事船體設計工作。

收稿日期：2014-01-09