Chinese Journal of Ship Research
Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system
引用格式：陈志飚,陈庆任,朱显玲.三维船体建模与稳性计算系统研发[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(3): 60–66. CHEN Z B, CHEN Q R, ZHU X L. Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(3): 60–66.
陈志飚1，陈庆任1，朱显玲*2 1中国船级社武汉规范研究所，武汉 430022 2武汉船舶职业技术学院，武汉 430050
摘 要:［目的］为实现多体船、组合船体等复杂船型的船体与舱室的可视化快捷建模和稳性计算，研发三维船体建模与稳性计算系统。［方法］采用模型−视图−控制器（Model-View-Controller，MVC）设计模式搭建系统框架；融合三维可视、对象拾取、特征点捕捉、命令流、引用表达式−联动更新、撤销−重做、智能表格等功能元素，实现适用于一般用户的船体与舱室三维交互式建模，以及适用于熟练用户的命令流快速建模；采用三维表面网格积分算法，实现不受限于船型的静水力与稳性计算，并基于派生类技术实现多个版本的法规衡准供用户选择。［结果］实船测试和工程应用结果表明，该系统能实现船体与舱室的三维快速建模和准确计算，覆盖具有多艉、球艏、艏升高、艉升高、凸形甲板的复杂船型，以及浮船坞、双体船、三体船、拼装组合船等特殊船型。［结论］该软件对船舶工程软件的设计研发具有参考价值。关键词：三维建模；稳性计算；命令流；计算系统中图分类号: U662.9文献标志码:A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01952
Research and development of 3D hull modeling and stability calculation system
CHEN Zhibiao1, CHEN Qingren1, ZHU Xianling*2 1 Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China 2 Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China
Abstract: ［Objectives］To realize the visualization and fast modeling and stability calculation of hulls and compartments, and extend the application scope to complex ship forms such as multi-body and combined hull, a three-dimensional hull modeling and stability calculation system is developed.［Methods ］Model-ViewController mode is used to build the system framework; 3D visualization, object pick-up, feature point snap, command stream, reference expression-linkage update, undo-redo, intelligent table and other functional elements are integrated to realize the 3D interactive modeling of ships and compartments for general users, and command stream rapid modeling for skilled users; moreover, a 3D surface grid integration algorithm is used to realize static hydraulic and stability calculation without the limitation of hull shape, and multiple regulation criteria are implemented for users to select from based on the technology of the derived classes. ［Results］Real ship tests and a large number of engineering applications show that this system can realize the fast 3D modeling and accurate stability calculation of hulls and compartments, covering complex ship forms such as multiple stern, bulbous bow, head up, tail up and convex deck, as well as special ship types such as floating dock, catamaran, trimaran and assembled combined ship.［Conclusions ］ This system has reference value for the design and development of ship engineering software. Key words: 3D modeling；stability calculation；command stream；calculation system
0 引 言
船舶稳性计算专业软件大体可划分为3 代，即二维、半三维和三维，它们的区别在于模型表达方式、人机交互能力和计算核心先进性。二维软件在早期十分盛行，通常采用型值表与加密点或类似方式来描述船体模型，采用数据文件或表格窗口录入模型数据，采用几何线框显示船体外形，采用平面切片积分法计算船体几何参数。三维软件采用三维几何模型来描述船体模型，并引入了三维可视化交互技术和三维网格积分算法；相较于二维软件，三维能更直观地创建和展示船型，良好的用户体验和广泛的船型适应性使其更易于被用户接受。半三维软件介于两者之间，其具备一定的三维可视化交互能力，但模型表达方式和计算核心尚未突破二维本质，所以适用性往往受到一定限制。业界领先的稳性计算软件均具备一定的三维建模与三维计算能力。国外的MAXSURF 和NAPA[1]等软件在船舶领域应用广泛，其三维交互能力深受欢迎；国内学者也开展了相关研究和软件开发[2-3] ，但受应用条件制约，软件未得以广泛应用。鉴于此，本研究以满足用户友好性、船型普适性、软件易维护性为目标，拟采用三维可视交互技术、三维积分计算算法和软件工程方法，借鉴 AutoCAD 等软件的反向框选拾取、特征点捕捉、命令流等功能，设计开发一款具有自主版权的三维船体建模与稳性计算系统 COMPASSiStability（ COMPASS Inland 平台的子系统），用于船舶辅助设计、审图计算、航运安全评估和高校教学实训。
1 系统总体设计
考虑用户的易接受度，本系统在研发时采用了当前成熟的模型−视图−控制器（ Model-ViewController，MVC）设计模式，结合主板−插件式架构技术[4] 的应用，最大程度降低系统设计的复杂性，使系统开发维护更为容易。视图（View）负责展示模型（Model），控制器（Controller）是两者的纽
带，三者之间相对独立。
1.1 模型（Model）
Model用于描述船体的几何模型和分析模型（含结果）。采用了相对灵活和可扩展的XML 架构，将数据划分为几何、船壳、分析等多个数据块，每个数据块又细分为不同类型的数据对象，如图1所示。其中，几何和船壳为三维可视化对象，采用自定义数据结构存储用户输入数据，每个对象以ID作为唯一标识；分析数据则采用了关系数据表进行表达。
1.2 视图（View）
View负责以合适的方式展示Model。几何和船壳数据对象采用了对象树面板、操作面板和基于 OpenGL 的三维视图进行显示和交互，如图2所示；分析数据采用了智能表格控件、ZedGraph图表控件和 iTextSharp 控件进行显示、编辑和报告输出，智能表格控件能根据用户前序输入自动屏蔽后序不需填写的单元格（切换为只读状态并显示为灰色）。
1.3 控制器（Controller）
Controller 负责响应用户输入，并在View 和Model中体现响应结果。采用全局事件响应机制，当对象树面板、操作面板、工具栏、三维视图和命令窗口存在用户输入（鼠标、键盘等）时，由指定的处理器来响应，并将结果反馈到三维视图、对象树面板和输出窗口（显示用户指令执行的结果和告警信息）。其中，命令窗口接受用户命令，
通过自主开发的一套命令处理器来完成命令的解释与执行，并支持命令的撤销与重做（Undo/Redo）。
2 三维建模功能设计
建立船体模型是实施稳性计算的前置条件，模型准确性与计算结果息息相关。本系统中推荐的三维船体建模流程如图3所示，即首先创建型线，然后由型线构造型表面，继而由型表面围成主船体，最后从主船体上截取舱室。
三维建模方面，除三维可视化、Undo/Redo 功能外，本系统还实现了以下功能： 1） 支持交互式建模。以操作面板为用户入口，创建和编辑线、面、体，为操作面板中需要的数据项提供快捷输入途径：例如，数据项为图元对象名称，则可以从图形窗口拾取，包括点选拾取、正向框选拾取（全部落在框内即选中）和反向框选拾取（部分落在框内即选中）；例如，数据项为几何坐标，则可从图形窗口捕捉曲线端点、插值节点、交点、指定条件的点等，从而大幅度提高数据输入的效率和便捷性。2） 支持命令流建模。命令窗口输入的命令在执行之前可编辑修改，多个命令可同时批量执行，这种建模方式尤其适用于熟练用户，能实现全船快速建模和修改及母型船改型。3） 支持将船舶肋位坐标、站位坐标作为输入，用以表示坐标点的X坐标分量，从而实现以船员熟悉的方式简化数据输入。例如，#10+100表示 10 号肋位正向偏移 100 mm，$2−200 表示2号站位反向偏移100 mm。4） 支持引用表达式作为输入，用以表示坐标点或坐标分量。如表1所示，这种输入方式可大幅简化重复性数据的录入，尤其适合表达线与线的交点。表1 中：X，Y，Z 表示坐标轴3 个方向的分量；P1，C1 和 C2 为对象的名称标识；n为固定不变的特殊标记。5） 支持基于引用表达的联动更新：若某线的坐标点采用引用表达式（表1）引用了其他点或线，当被引用的点或线修改后，该关联线能跟随联动更新（图4），以此确保几何模型的一致性。
6） 舱室可通过参数化方式从船体上截取，仅需指定舱室的两端位置X和用于表征端面形状的特征点参数，如图5所示左舷舱；此外，也支持通过单元体与单元体（舱室）布尔运算组合，生成形状复杂的舱室，如图6所示艉部燃油舱。
7） 支持初始化图形交换规范（IGES）导入和导出，实现与CATIA ，NAPA ，MAXSURF 等常用软件之间模型互通；同时，也支持型值表导入和导出，实现模型的快速创建和数据检查。
3 三维稳性计算与衡准
基于三维模型方可开展三维稳性计算，首先将代表船体与舱室的三维表面转换为三维面网格单元模型，然后以此为输入进行三维稳性计算。
3.1模型网格化
模型网格化就是把三维船体和舱室分别作为独立的体，将其三维表面转换为三角网格。转换过程中，控制三角网格与三维表面的偏差δ≤ 0.000 1，如图 7所示。而网格尺寸则随原始三维表面的曲度自适应调整，在曲度小的部位形成的网格很稀疏，例如平行舯体区域的舷侧、船底等；在曲度很大的部位网格相对更细密，例如艉部螺旋桨轴、舭部等。从而确保转化后的三角网格与原三维表面尽可能贴合，同时也最大程度减少网格数量，降低后续计算工作量。
3.2三维几何参数计算
为了得到船体排水体积、惯性矩、形心等三维几何参数，传统方法是将船体的三维积分转换为沿船长或型深的切片（横剖面或水线面）近似积分[5]，这种算法的计算精度受限，且难以适用于不规则和复杂的形体。本系统基于三维面网格单元模型，采用了全
新的积分算法，应用高斯定理将三维体积分转换为三维面网格单元积分[6-7]，计算结果精度可控，相比于传统切片积分算法，对船型适应性更好，可适用于任意三维形体。
3.3浮态平衡计算
船舶浮态的计算是船舶稳性计算的重要环节。本系统摒弃了基于静水力数据来近似求解浮态的传统方法，采用基于三维模型求解浮态平衡方程来直接计算船舶浮态，方程求解采用牛顿迭代法，迭代过程中考虑船舶纵倾和横倾，使浮态计算结果更准确。除了船舶初始浮态外，复原力臂、进水角、破损浮态等计算也需要求解浮态平衡，只是求解方程有所不同： 1） 采用重力浮力平衡、纵倾力矩平衡的两方程计算复原力臂； 2） 采用重力浮力平衡、纵倾力矩平衡、进水点/出水点在水面的三方程计算进水角/极限静倾角； 3） 计算破损情况下的浮态、复原力臂及进水角，求解过程中采用损失浮力法，即根据舱室的三维模型和水平面实时扣除破损舱室的浮力。
3.4稳性衡准计算
为满足“老船老办法，新船新办法”的现实需求，本系统将衡准标准设计为由用户选择，在确保向下兼容的前提下，若衡准标准升级换版，则允许增加新的衡准标准选项。实际开发中，为了便于后续的软件维护性和可持续发展，采用了面向对象的基类–派生类技术实现该设计：将《内河船舶法定检验技术检验规则（2011）》[8]设定为基类，将后续版本的衡准标准设定为派生类，新增或修订的衡准要求在派生类中通过重载技术来实现。本文所提系统支持的衡准包括2011~2019 年期间发布及更新的《内河船舶法定检验技术规则》[8-12]，以及《特定航线江海直达船舶法定检验技术规则（2018）》[13]，后续还将根据行业发展需要增加《远洋渔船法定检验技术规则（2019）》[14] 等新的衡准。
4系统验证与应用
4.1系统验证
选取规则体（长方体、圆柱体、球体等）进行建模计算测试（与理论值对比）。图8为一个由长
方体、圆台和半球体组成的组合体，其中长方体的尺寸为 4 m×4 m×8 m，底面中心为（−2 m， −3 m， 0 m）；圆台底面圆心为（6 m， 5 m， 3.2 m），底面半径 1.5 m，顶面半径 0.35 m，高 6m；半球的半径为10 m ，底部圆心为（ 0m， 0 m， 7.5 m ）。表 2 给出了该组合体的验证结果，体积的相对误差小于0.06%，形心垂向坐标的相对误差小于 0.01%。
选取 16 艘典型实船（散货船、集装箱船、液货船、客船、工程船等）进行建模和计算测试[15] （与业界认可的计算系统对比），表3 和图9 给出了 130 m 旅游船和12 万吨级油船的验证结果。表中 cyzWX 为船舶静水力计算与稳性衡准程序V 4.2 版本；NAPA为一款专业稳性计算系统。由图表可得，旅游船和油船的静稳性力臂l 偏差不大于 0.01 m。
4.2 应用分析
本系统具备静水力计算、舱容曲线计算、完整稳性计算与衡准、许用重心高度计算、破损稳
性计算与衡准、倾斜试验计算等功能。工程实践表明：本系统完全突破了船体外形的制约，可适用于任意形状的三维船体，覆盖多艉、球艏、艏升高、艉升高、凸形甲板、浮船坞等复杂和特殊船型，以及双体船、三体船、拼装船等组合船体。与此同时，本系统具备的反向框选拾取、特征点捕捉、引用表达式、命令流、智能表格等功能元素，能大幅度简化用户输入，提高建模快捷性。图 10 所示为用本系统进行建模、三维显示和计算的12艘典型实船的应用案例，其中：图(a)为高速客船，其艉部设有双隧道、舭部设有折角；图 (b)为液货船，艏、艉均设有升高、舯部设有凸形甲板、并设有球鼻艏和艉轴包；图(c) 为游览船，其设有三艉；图(d) 为双体集装箱船，其有