聂森，胡启航，缪俊，陆建辉

船舶半悬挂舵数字化设计及其软件开发

聂森1，胡启航2，缪俊3，陆建辉*,4

（1.青岛城市学院 机电工程学院，山东 青岛 266106；2.西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024；3.江苏华帝海洋工程设备制造有限公司，江苏 泰州 214522；4.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100）

针对目前舵系计算和绘图数据形成信息孤岛等问题，通过对半悬挂舵设计过程的分析，建立舵系参数化设计数学模型，基于Visual Basic 6.0平台开发舵系数字化设计软件。搭建4个舵系设计功能模块，构建模块与软件数据库间的链接，实现平台内数据共享。软件界面友好，数字与图形互动，通过对输入数据的实时质量控制确保设计无差错。建立舵系零件特征参数，基于SolidWorks与AutoCAD软件平台，实现零件参数驱动与修改，有限元分析与精度控制等。以15000DWT自卸运煤船半悬挂舵为设计究对象，输出了一套完整的半悬挂舵设计资料，验证软件设计的可靠性、准确性和高效率。

舵系数字化设计；半悬挂舵；软件开发

工程中目前普遍采用三维设计软件进行船舶及辅助设备设计，但计算数据和绘图数据会形成信息孤岛，使设计效率、可靠性下降，数字化技术的应用可有效地改变这种现状。

目前，日本船舶制造业已形成比较完整的计算机集成制造系统[1]，美国DDG51和LPD17项目是数字化辅助船舶设计的典型案例[2]。在船舶数字化设计技术研究方面，国外通过参数化生成船体结构模型，提供船体几何尺寸、主要结构等，使工程师在设计过程中即时得到数据反馈，从而方便设计修改[3]。国内科研院所也开展了船舶数字化设计平台的开发。朱佳文等[4]提出一种基于AutoCAD和PDM的船舶总图数字化设计方法，在PDM中建立描述船舶总图的结构树，在AutoCAD中开发与PDM集成的接口，可在AutoCAD环境中绘制数字总图并进行实时发布。时永鹏[5]开发了船舶主要素设计系统，并开发了计算船舶静水力和阻力等性能的模块，可将经验转化为计算机知识用于解决难以量化的参数选择问题。战翌婷等[6]采用数字化设计技术与RPD开发思路，建立了船舶的知识类型库，开发了能够实现全船结构三维快速建模和修改的原型软件系统。随着大数据和数字化技术应用，对某些舾装部件设计数字化是趋势。

目前业界舵系设计普遍采用Excel软件，无法解决设计过程中多平台数据传递问题[7]。舵系设计参数较多、结构较复杂，并且是在专业舾装厂设计制造，经验参数较多，其数字化设计研究成了真空地带，数字化设计推进缓慢。根据专业舾装厂的需求确定本研究目标，以一艘15000DWT自卸运煤船为对象，建立半悬挂舵设计数字化模型，总结融入专业经验及相关标准，开发半悬挂舵系数字化设计软件。

1 舵系的总体布局

15000DWT自卸运煤船设有2只半悬挂舵，布置于船尾螺旋桨之后，处于螺旋桨尾流之内，舵叶通过舵销支承在挂舵臂上，舵叶与舵杆采用锥体连接，舵杆与舵柄通过键连接从而将舵机的扭矩传递到舵叶上，舵承则对转动部位起到润滑作用，同时上舵承又起到支撑舵杆的作用，总体布置如图1所示。

图1 半悬挂舵布局

2 半悬挂舵特征参数模型

该自卸运煤船航行范围主要在我国沿海港口，以装运煤炭为主，船体基本特征参数如表1所示。对半悬挂舵，舵机扭矩＝120.195～125.42 kN·m。根据CB/T 972－1994《海洋船舶液压舵机》，选用公称转舵扭矩160 kN·m的往复柱塞式液压舵机[8]。

表1 15000DWT自卸运煤船船舶特征参数

分析半悬挂舵设计过程可知舵系特征参数和船舶特征参数之间存在着密切的联系，根据中国船级社（CCS）的《钢质海船入级规范》可知，参与舵系计算的船舶特征参数有船长、吃水、航速等。

为了满足操纵性，根据德国劳氏船级社（GL）海船入级规范《Rules for Classification and Construction》，推荐可动舵面积应不小于规定值，与船舶特征长度、航速成正比[9]。舵力是计算舵叶尺寸的基础，总舵力C参照中国船级社《钢质海船入级规范》计算[10]。考虑正车、倒车等工况，根据《钢质海船入级规范》，可推算出舵杆扭矩Q与舵面积和舵高及舵宽存在函数关系，剪力和弯矩与舵力C存在函数关系。在对舵系零件设计时，由《钢质海船入级规范》可知：舵杆直径与舵杆扭矩Q存在函数关系；舵叶板厚与船长、吃水、舵面积、舵力C间存在着函数关系；舵销直径d与舵系所受剪力存在函数关系，间接与舵力C关联。

通过以上分析，可建立船舶特征参数和舵系设计参数间的关联如图2所示。各种计算系数、水动力参数、经验值、基本结构形式等由数据库提供支持。

图2 船舶特征参数与舵系特征参数关系图

根据舵系参数和船舶特征参数之间存在的数学关系，可将船舶特征参数转化为舵面积、舵力、扭矩等舵系设计参数，为零件数字化设计奠定基础，同时工程师可根据实际情况圆整或修改参数，并反馈给软件进行重新计算以确定舵系设计的合理性。

将舵系设计计算参数整合，得到舵系设计参数和船舶特征参数之间的函数关系为：

式中：为舵的某个设计变量；为特征船长，m；为吃水，m；为航速，kn；、、为指数，与舵系设计参数属性有关。

3 软件系统构建

舵系设计根据规范标准、船东需求、施工工艺等，需要进行反复修改和确认，最终形成加工文件和船检报告。为了提高设计效率，提升企业数字化管理水平，开发船舶舵系数字化设计软件，内部封装设计计算内容及算式（包括经验算式），通过接口与数据库、三维建模软件等链接，将舵系参数计算、零件尺寸计算、标准件选型和建模仿真等封装，构成设计、分析、工程出图、报告编制的协同设计平台。

舵系数字化设计软件框架如图3所示。软件基于Visual Basic 6.0平台开发，方便工程师根据需求进行设计和修改[11]；数据库为软件提供信息检索功能；三维和二维建模模块为用户提供零件模型的输出和仿真分析功能；舵系设计完成后，VB驱动office，将设计结果以设计说明书的形式输出，并提供船检报告。

图3 船舶舵系数字化设计软件框图

基于上述框架开发的舶舵系数字化设计软件工作流程如图4所示。通过输入船舶特征参数，依次执行舵系参数设计模块、受力分析模块、零件设计模块等，设计完成后，系统自动对零件进行校核，最终形成完整的设计文档。

3.1 各模块功能设计

软件的功能结构如图5所示。采用模块化设计分为舵系参数设计、受力分析、零件设计、文档管理（计算书、送审材料、工艺参数等）4个模块，并保留良好拓展性，便于软件升级。

软件船舶特征参数界面如图6所示。根据业主提供的资料，将数据填入白色框中，选择船型、舵型、舵剖面形状、支撑方式等约束，然后进入各个模块进行设计计算。

图4 软件工作流程图

3.2 舵系参数设计模块

舵系参数设计界面如图7所示，填写相应数据，软件自动计算得出所需的舵面积、舵力和扭矩等舵主参数，工程师可由经验圆整及修改，软件重新计算及配置参数。在填写数据过程中，软件会根据相关规范要求对数据质量进行在线控制

3.3 受力分析模块

进入如图8所示的受力分析界面，导入舵系中各尺寸的数值，点击“计算”按钮，按照船级社规范进行剪力和弯矩的计算。通过观察最大受力点位置、数值及分布，用户可以修改尺寸数据以获得有利于设计制造的受力情况。

图5 软件功能结构图

图6 船舶特征参数界面

图7 舵系参数设计界面

图8 受力分析界面

3.4 零件设计模块

零件设计模块包括舵杆舵叶的参数设计，舵杆与舵叶的连接方式设计，舵承、舵销的设计和零件的校核等，零件设计主界面如图9所示。用户根据实际情况将软件计算所得的舵杆舵叶参数值调整后输入实际值，当实际取值小于设计值时填写框会以红色标明。

图9 零件设计模块主界面

在舵杆与舵叶连接方式库中有水平法兰连接、垂直法兰连接、有键锥形连接和无键锥形连接等，通过下拉框选择。在本悬挂舵设计中采用无键锥形连接方式，设计界面如图10。

图10 无键锥形连接界面

用户通过填写各个特征尺寸值，在中间对应示图位置显示该值，使设计变得直观轻松，物理意义清晰。随后进行推入压力、推入长度、推入力计算，软件右下角显示相应的取值范围。在界面中点击“建模”按钮，进入舵承和舵销等主要零部件的尺寸设计界面，设计完成后进入零件的三维建模和二维绘图界面。

当舵系零件设计完成后点击“校核”按钮进入校核界面，软件按照零件实际尺寸进行校核，并在界面表格中显示校核过程如图11所示。当显示“不满足”，返回相应零件设计界面进行修改。

图11 零件校核界面

3.5 文档管理模块

文档管理模块的功能是生成计算书，并留有进一步拓展空间，形成多种报告、生产管理及加工工艺文件等。在船舶特征参数界面点击“文档管理”按钮，按照规范快速生成一整套舵系的设计计算书用于送审。

通过Visual Basic 6.0调用Microsoft Word 2010，软件生成一个新的Word文档并处于活跃状态。通过读取程序，将设计数据自动编辑到Word文档上，实现自动生成计算书的功能。

通过Visual Basic 6.0调用SolidWorks 2010自动生成零件三维建模，用户可对舵系进行装配仿真和干涉检查。图12为舵销零件的建模界面，舵销的结构特征尺寸包括舵销长度、锥体长度、舵销直径、舵销下端直径等，工程师通过设计零件的特征尺寸，驱动SolidWorks自动生成舵销的三维模型如图13所示，实现零件的参数化建模，生成的零件可用于舵系的装配和仿真计算等。

图12 舵销三维建模界面

图13 生成的舵销模型

通过Visual Basic 6.0调用AutoCAD，软件可以实现二维绘图功能。图14为下舵杆轴套和衬套的设计界面，工程师通过设计零件的外径、内径、高度、倒角和倒圆等特征尺寸，软件可以自动生成CAD图形并标注其尺寸，从而实现参数化绘图。

图14 下舵杆轴套衬套设计界面

图15为VB调用AutoCAD生成的下舵杆轴套二维加工图。VB调用CAD绘制图形时需要建立图形关键点，对零件进行分析，定义特征点，然后通过直线或圆弧命令连接。同样地，在进行标注时也需要定义端点和标注点，精度根据使用要求由软件推荐。同时还可以生成舵叶剖面线型等工艺参数。

图15 VB调用AutoCAD生成的下舵杆轴套图纸

4 结语

针对目前舵系设计计算繁杂、半理论半经验参数较多等问题，通过对半悬挂舵设计过程的分析，建立舵系设计数学模型，开发出一套半悬挂舵系数字化设计软件，以提高设计效率、消除差错，实现对市场的快速反应。

得到如下研究结论：

（1）分析15000DWT自卸运煤船的半悬挂舵系设计过程，根据相关设计规范及其构造特点，建立舵系特征参数与船舶参数之间的数学模型，确定数字化设计数据驱动特征向量。

（2）基于Visual Basic 6.0软件平台，开发船舶半悬挂舵系数字化设计软件。采用模块化设计方式搭建舵系设计参数计算、受力分析、零件图形输出、文档管理等模块，构建模块与软件数据库的链接，实现平台内数据共享。

（3）软件界面友好，数字与图形互动，对输入数据进行实时质量控制，确保数据无差错。软件根据输入的特征参数，具有舵系设计计算、方案修改、容错检验等数字化设计功能，输出舵系三维模型图、二维工程图及送检报告资料等，达成无差错高效设计的研究目标。

（4）以15000DWT自卸运煤船的半悬挂舵系统为设计究对象，输出了一套完整的半悬挂舵的设计资料，验证了软件设计的可靠性和准确性。

[1]祁昌，张祥真. 船舶制造数字化及信息化[J]. 科技创新导报，2018，15（22）：84-85.

[2]张小光，李高，刘东锋. 船舶数字化设计应用及发展趋势研究[J]. 科技视界，2015（8）：146-146.

[3]Varela J M，Ventura M，Soares C G. Product data model of hull structures and digital prototyping system for basic structural design[J]. Ships and Offshore Structures，2011，6（1-2）：3-14.

[4]朱佳文，肖鹏安，韩海荣. 基于AutoCAD和PDM的船舶总图数字化设计方法研究[J]. 制造业自动化，2017，39（8）：131-133，153.

[5]时永鹏. 船舶主要要素的智能化设计系统开发[D]. 上海：上海交通大学，2013.

[6]战翌婷，费梦茹. 基于知识库的船舶结构设计系统研发[J]. 图学学报，2014，35（2）：230-235.

[7]黄昊. 民用船舶常规舵系设计的比较及分析[D]. 上海：上海交通大学，2012.

[8]中国船舶工业总公司. 海洋船舶液压舵机：CB/T 972-1994[S].

[9]Germanischer Lloyd. Rules for Classification and Construction[M]. Hamburg：Germanischer Lloyd SE，2012.

[10]中国船级社. 钢质海船入级规范（2021）[M]. 北京：人民交通出版社，2021.

[11]稂婵新，谭亮，张少平. Visual Basic程序设计[M]. 北京：北京理工大学出版社，2018.

Digital Design and Software Development of Ship Semi-Spade Rudder

NIE Sen1，HU Qihang2，MIAO Jun3，LU Jianhui4

( 1.College of Mechanical & Electrical Engineering, Qingdao City University, Qingdao 266106, China; 2.State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China; 3.Jiangsu Empire Offshore Engineering Equipment Manufacture Co., Ltd., Taizhou 214522, China; 4.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The rudder is an important device for controlling the ship's heading and maintaining the navigation stability. Aiming at the problem that the rudder system design calculation data and drawing data cause information silos, through the analysis of the design process of semi-spade rudder, the mathematical model of parametric design of it is established, and the digital design software of rudder system is developed based on the Visual Basic 6.0 platform. Four functional modules are built to connect the module and the database to realize the data sharing within the platform. The software interface is user-friendly with digital and graphical interaction, and the real-time quality control of the input data results in an error-free design process. The rudder part feature parameters are established, and executions including the data driven calculation & modification and finite element analysis & precision control of the components are achieved based on SolidWorks and AutoCAD. Taking the 15000DWT ship semi-spade rudder as the research object, a complete set of design data is output, and the reliability, accuracy and efficiency of the software are verified.

digitalized design of rudder system；design of semi-spade rudder；software development

TP3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.002

1006-0316 (2022) 03-0007-08

2021-10-20

聂森（1975－），男，新疆哈密人，硕士，高级工程师，主要研究方向为智能制造、检测与三维建模，E-mail：13606422436@163.com；胡启航（1995－），男，山东滨州人，硕士，研究实习员，主要研究方向为智能制造与数字图像处理，E-mail：hqhexcellent@163.com；缪俊（1982－），男，江苏靖江人，工程师，主要研究方向为船舶舾装件和舵系开发与设计，E-mail：miaojun_2003@163.com。*通讯作者：陆建辉（1960－），男，江苏南通人，博士，教授，主要研究方向为海洋工程结构设计、制造，E-mail：lujianhui@ouc.edu.cn。