（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）散货船完整稳性计算系统whutiscs开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 散货船自2 0 世纪5 0 年代中期出现以来，总体上保持着强劲的增长势头。 二战后，由于全球对于散货运输的大量需求，散货船运输在海上货物运输中所 占的地位日益重要，在货运总量中所占的比重也越来越大。由于货运量大，货 源充足，航线固定，装卸效率高等因素，散货船运输能获得良好的经济效益， 散货船已成为运输船舶的主力军。在国际航运业中，散货船运输占货物运输的 3 0 以上。i m o 的调查显示，大宗散货运量近年来一直在持续增长，从2 0 0 4 年到现在，年增长率分别达n - 5 9 ，3 9 ，3 9 。随着世界经济的发展，散 货船运输仍将保持较高的增长势头。 本文就散货船完整稳性计算软件的开发问题进行了论述。散货船的装载稳 性计算，具有数据量大，计算要求高，限制条件多等特点。第一章为绪论，本 章的主要内容是介绍了散货船的发展趋势，稳性的研究现状以及论文的研究内 容、技术路线和总体目标。第二章为插值方法介绍，在本系统的编制过程中， 涉及到非常多的插值计算，插值方法采用非均匀有理b 样条( n u r b s ) 。本章 的目的是让读者能更好的理解这种方法，以及这种方法在本计算系统中的应用。 第三章是程序设计语言及数据库介绍。第四章为a u t o c a d 二维图形的数据读 取，为了方便用户使用本软件进行计算，本论文对a u t o c a d 进行二次开发，实 现从a u t o c a d 中读取数据并自动地导入计算系统的数据库文件。第五章为本计 算系统与c o m p a s s 的数据传递，本章的主要内容是介绍数据库访问技术和实 现的方法，以及从c o m p a s s 中导入完整稳性计算需要的数据，导入到本计算 系统中。第六章为w h u t - i s c s 完整稳性计算系统的开发，该章的主要内容是 介绍散货船的配载原则、完整稳性计算以及计算系统的开发。 本程序的设计核心是散货船的性能计算和完整稳性计算，计算过程中涉及 到船舶的类型、装载状态和航区的选择。性能计算部分主要包括静水力曲线表、 邦金曲线表和稳性差值曲线表；完整稳性计算主要是包括静稳性、动稳性和稳 性衡准。在计算过程中，各参数的取值对结果的影响非常大，参数计算涉及到 很多线性和非线性的插值。在程序的设计中，所有的插值计算都采用三次非均 匀有理b 样条的方法。 散货船装载完整稳性计算软件的设计需要作者具有扎实的专业基础，熟悉 武汉理工大学硕士学位论文 装载的各环节，对散货船的装载要非常的了解。考虑到实际使用的需要，本程 序采用v i s u a lb a s i c6 0 为平台，以m s a c c e s s 、m s e x c e l 为主要数据库， 用a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 为数据库访问技术。程序采用程序块处理不同 的问题，各个模块之间相互独立，这样设计程序的可维护性比较好。 关键词：散货船，非均与有理b 样条，初稳性，完整稳性，数值传递 i l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb u l kc a r r i e rh a s a p p e a r e ds i n c e t h em i d - 1 9 5 0 s a saw h o l e ，i ti s m a i n t a i n i n gas t r o n gi n c r e a s i n gm o m e n t u m a f t e rw o r l dw a ri i ，b e c a u s eo ft h e w h o l ew o r l d sk e e nd e m a n do ft h eb u l kc a r g ot r a n s p o r t a t i o n ，t h eb u l kc a r r i e r t r a n s p o r t a t i o np l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h em a r i n eg o o d st r a f f i c t h e p r o p o r t i o ni nt h et o t a lq u a n t i t yo ff r e i g h tt r a n s p o r t a t i o ni sa l s og e t t i n gb i g g e ra n d b i g g e rd a yb yd a y b e c a u s et h ev o l u m eo fg o o d st r a n s p o r t e di sl a r g e ，t h es o u r c ei s a m p l e ，t h er o u t ei sf i x e da n dt h el o a d i n ga n du n l o a d i n gi sh i g h e re f f i c i e n c y , t h eb u l k c a r r i e rt r a n s p o r t a t i o nc a na c q u i r eag o o de c o n o m i cp e r f o r m a n c e t h eb u l kc a r r i e r h a sb e c a m ea ni m p o r t a n tp a r ti nt h es h i p p i n gi n d u s t r y i nt h ei n t e r n a t i o n a ls h i p p i n g i n d u s t r y , t h ep r o p o r t i o no ft h eb u l kc a r r i e ri sa b o v e3 0 i nt h ec a r g ot r a n s p o r t a t i o n t h ei m oi n q u i s i t i o ns h o w st h a tt h ea m o u n to fs t a p l eb u l kc a r g ot r a n s p o r t a t i o nh a s b e e ni n c r e a s i n gi nr e c e n ty e a r s f r o m2 0 0 4t i l ln o w , t h ey e a r l yg r o w t hr a t ea t t a i n s r e s p e c t i v e l y ：5 9 ，3 9 ，3 9 a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m y , t h eb u l kc a r r i e rt r a n s p o r t a t i o ns t i l lw i l lk e e ph i g h e rg r o w t hp o w e r t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h eb u l kc a r r i e ri n t a c t s t a b i l i t ys o f t w a r e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t a c ts t a b i l i t yc o m p u t a t i o no ft h eb u l k c a r r i e ra r et h e l a r g e d a t aq u a n t i t y , t h eh i g hc o m p u t a t i o nr e q u e s t s ，m a n yl i m i t e d c o n d i t i o n sa n ds oo n c h a p t e r1i st h ei n t r o d u c t i o n t h i sc h a p t e rp r i m a r i l yi n t r o d u c e s t h eb u l kc a r r i e r sd e v e l o p m e n t a lt r e n d ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f s t a b i l i t yr e s e a r c h ，t h e r e s e a r c hc o n t e n to ft h ep a p e r , a sw e l la st h et e c h n i c a lr o u t ea n dg e n e r a lg o a l s c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d i nt h ee s t a b l i s h m e n tp r o c e s so ft h i s s y s t e m ，m a n yi n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o n sa r ei n v o l v e da n dt h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d a d o p t sn u r b s t h i sc h a p t e ra i m st oe n a b l et h er e a d e r st ou n d e r s t a n dt h i sm e t h o da s w e l la si t s a p p l i c a t i o n i nt h i sc o m p u t i n gs y s t e mb e t t e r c h a p t e r3i n t r o d u c e st h e p r o g r a m m i n gd e s i g nl a n g u a g ea n dt h ed a t a b a s ev i s i t i n gt e c h n o l o g y c h a p t e r4 i n t r o d u c e sh o wt og e td a t af r o ma u t o c a dt w o d i m e n s i o n a l g r a p h f o r u s e r s c o n v e n i e n c et ou s et h i ss o f t w a r et oc a r r yo nt h ec o m p u t a t i o n ，t h ep a p e rc a r r i e so nt h e r e d e v e l o p m e n tt oa u t o c a da n dr e a l i z e st or e a dt h ed a t af r o ma u t o c a da n di n d u c t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p u t i n gs y s t e m sd a t a b a s ef i l ea u t o m a t i c a l l y c h a p t e r5i sa b o u tt h i sc o m p u t i n g s y s t e ma n dc o m p a s sd a t at r a n s f e r t h em a i ni d e ao ft h i sc h a p t e ri st oi n t r o d u c et h e d a t a b a s ev i s i t i n gt e c h n o l o g ya n dr e a l i z a b l em e t h o d ，a sw e l la se n t e rt h ed a t aw h a ti s n e e d e di nt h ei n t a c ts t a b i l i t yc o m p u t a t i o nf r o mt h ec o m p a s sa n di n d u c tt ot h i s c o m p u t i n gs y s t e m c h a p t e r6i st h ed e v e l o p m e n to fa ni n t a c ts t a b i l i t yc o m p u t i n g s y s t e mw h u t - i s c s t h em a j o r i t yo ft h i sc h a p t e ri n t r o d u c e st h el o a d i n gp r i n c i p l eo f t h eb u l kc a r r i e r , t h ei n t a c ts t a b i l i t yc o m p u t a t i o na sw e l la st h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t i n gs y s t e m t h ec o r eo ft h i sp r o c e d u r ed e s i g ni st h eb u l kc a r r i e r sp e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o n ， t h ei n t a c ts t a b i l i t yc o m p u t a t i o n ，a n dt h es h i p s t y p e ，t h el o a d i n gc o n d i t i o na n dt h e n a v i g a t i o n a r e ac h o i c ei n v o l v e di nt h e p r o c e s s o fc o m p u t a t i o n t h e p a r to f p e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o nm a i n l yi n c l u d e st h eh y d r o s t a t i cp e r f o r m a n c ec u r v et a b l e ， t h eb o n j e a nc u r v et a b l ea n dt h es t a b i l i t yi n t e r p o l a t i o nc u r v et a b l e t h ei n t a c ts t a b i l i t y c o m p u t a t i o ni sm a i n l yi n c l u d e st h em e t a c e n t r i cs t a b i l i t y , t h ed y n a m i c a ls t a b i l i t ya n d t h es t a b i l i t yw e i g h s i nt h ep r o c e s so fc o m p u t a t i o n ，v a r i o u sp a r a m e t e r s v a l u eh a s g r e a ti n f l u e n c et ot h er e s u l t ，b e c a u s et h ep a r a m e t e rc o m p u t a t i o ni n v o l v e sl o t so f l i n e a r i t ya n dt h em i s a l i g n m e n ti n t e r p o l a t i o n t h ed e s i g no f b u l kc a r r i e rl o a d i n gi n t a c ts t a b i l i t yc a l c u l a t e ss o f t w a r en e e d st h e a u t h o rt oh a v eaf i r mp r o f e s s i o n a lf o u n d a t i o n ，a c q u a i n tw i t he a c hl i n ko fl a d i n g ，a n d h a v et h eu n u s u a lu n d e r s t a n d i n gt ob u l kc a r r i e r sl o a d i n g i nc o n s i d e r a t i o no ft h e d e m a n do fa c t u a lu s a g e ，t h i sp r o c e d u r ea d o p t sv i s u a lb a s i c6 0a sap l a t f o r m ，t a k e s m s a c c e s sa n dm s - e x c e la st h em a i nd a t a b a s e ，a n dt a k e sa d o ( a c t i v e xd a t a o b j e c t ) a st h ed a t a b a s ev i s i t i n gt e c h n o l o g y t h ep r o c e d u r ea d o p t st h eb l o c k p r o c e s s i n gt oh a n d l ed i f f e r e n tp r o b l e m sw i t hm u t u a l l yi n d e p e n d e n tm o d u l e s ，i nt h i s w a yt h em a i n t a i n a b i l i t yo ft h ep r o j e c ta p p r o a c hi sb e t t e r k e yw o r d s ：b u l kc a r r i e r , n u r b s ，i n i t i a ls t a b i l i t y , i n t a c ts t a b i l i t y ，d a t a i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ： 啦 e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签孙姚导师( 签名f 障呦期：迎! 堡：车 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 散货船自2 0 世纪5 0 年代中期出现以来，总体上保持着强劲的增长势头。 二战后，由于全球对于散货运输的需求量大幅增加，散货船运输在海上货物运 输中占据着越来越重要的地位，在货运总量中所占的比重也越来越大【1 1 。在国 际航运业中，散货船运输占货物运输的3 0 以上。i m o 的调查显示，大宗散货 运量近年来一直在持续增长，从2 0 0 4 年到现在，年增长率分别达到：5 9 ，3 9 ， 3 9 。由于货运量大，货源充足，航线固定，装卸效率高等因素，散货船运输 能获得良好的经济效益，散货船已成为运输船舶的主力军。现在全世界的原材 料货物大多是由散货船承运的，因此散货船迄今仍然是世界性产业链不可缺少 的重要的一个环节。随着世界经济地不断发展，世界性的原材料运输必然增多， 散货船运输仍将保持较高的增长势头，散货船的总吨数也必将增大。 目前，散货船正朝着双壳化、大型化、快速化和多用途化发展1 2 】。在新设 计建造的散货船的使用年限将更长、更加环保而且自动化性能也会有很大的提 高。随着计算机水平的不断发展，散货船的设计方法也将不断地进步。 为了提高散货船的营运安全性，i m o 、i a c s 等国家组织和各大船级社不断 修改、完善s o l a s 、m a r p o l 等规范、规则，提高船舶的技术标准。 1 2 国内外稳性计算软件发展的现状 船舶稳性研究是船舶行业中一个非常重要的、非常复杂的课题。它是船舶 最重要的性能之一，是船舶安全航行的基本保障，也是船舶检验的主要内容之 一。目前世界各国都制定了相应的规则，作为船舶设计或航行中判断稳性的主 要依据。由于船舶稳性涉及到环境条件、船舶技术条件和操作要素等许多因素， 故而稳性的改善会导致船舶其他性能的恶化p j 。 为加强散货船运输的安全性，2 0 0 6 年中国船级社颁发的钢制海船入级规 范中要求：“2 0 0 6 年7 月1 日及以后建造的，船长小于1 5 0 m 的所有散货船， 应配备能提供完整稳性资料的装载仪”。【4 j 对软件的要求是：1 ) 在适用时应输 武汉理1 = 大学硕士学位论文 入完整稳性许用重心高度曲线或许用初稳性高度曲线；2 ) 应能计算并显示中心 高度及初稳性高度，并对它们进行液面修正，并在适用时与许用值进行比较，如超 出许用值，应能自动报警；3 ) 应能计算并显示g z 曲线，并对其进行自由液面修 正；4 ) 应能计算任意装载工况下的完整稳性，并按规定进行完整稳性衡准，其 衡准方法应与完工装载手册保持一致，如选用其他衡准方法应在送审时加以说 明，并经c c s 审图单位同意。如发现超出许用衡准值时，软件应能自动报警。 1 2 1 国内研究情况 随着计算机水平的不断发展，船舶完整稳性计算已经改变传统的表格计算 方法，取而代之的是方便的计算机软件实现繁琐的计算过程。 国内自行开发研制的稳性计算软件有很多，比较常用的有中国船级社武汉 规范所编制的“船舶静力学计算及稳性衡准系统v 4 0 和上海规范所编制的 c o m p a s s r u l e 海船规范计算系统。目前在船舶设计过程中，使用的最多 的是稳性计算软件是c o m p a s s - - r u l e 。c o m p a s s r u l e 海船规范计算系 统：包括船舶结构计算系统、船舶性能计算系统、船舶轴系计算系统和船舶电 气计算系统。船舶性能计算系统适用于普通船型、双尾船型、小水线面双体船 型等任何船型的船舶在各种装载情况下的浮态、完整稳性及剪力、弯矩分布计 算，散货船的散装谷物稳性分析及吨位计算，以确定性方法或概率方法对客船 和货船发生破损后的平衡浮态、剩余稳性曲线、分舱指数等计算分析。 船舶性能计算内容多、计算量大、衡准复杂，包括完整稳性，破舱稳性及 其他有关辅助计算，是船舶航运、设计、建造、审图检验以及有关科研的必备 手段。c o m p a s s r u l e 海船规范计算系统建立在微机上，各种数据均可以 从窗口输入、修改，操作简单方便。另外，该系统采用a c c e s s 数据库，具有 管理方便、易于维护、修改和保存的特点。 1 2 2 国外研究情况 国外的关于船舶稳性计算软件也很多，各个船级社都有自己的计算软件， 比较通用的商业软件有n a p a 和m a x s u r f 等。 ( 1 ) n a p a 2 武汉理工大学硕士学位论文 n a p a 是芬兰n a p a 公司开发的船舶设计软件包。它是一个不断扩充的系 统软件，目前主要包括总体设计、结构设计( n a p a s t e e l ) 和船用装载计算机软 件系统( o n b o a r d n a p a ) 5 1 。n a p a 总体设计涵盖了船舶设计所有的设计工作。 它的功能包括线型生成、静水力计算、完整稳性计算、舱容( 包括纵倾舱容) 计 算、破舱稳性( 包括确定性破舱和概率性破舱) 计算、可浸长度计算、谷物稳性 计算、集装箱配载、配载计算、下水计算和倾斜试验报告、航速预估和螺旋桨 设计、耐波性和操纵性分析计算、空船重量统计等等。 进入2 1 世纪后，很多大型的设计单位以及企业都引进了n a p a 软件，其 主要的优点有如下几个方面： 1 ) n a p a 软件具有全新的三维设计思想，可用于船体曲面造型设计而 直接产生型线； 2 ) n a p a 软件可以进行总布置设计、分舱及舱容计算、各种性能计算 分析、结构设计与分析； 3 ) n a p a 形成了计算机辅助船舶设计、制造、分析计算的完整体系； 4 ) n a p a 可以将流体、结构、设计、制造等学科有机地结合起来； 5 ) n a p a 软件是众多软件的纽带。 ( 2 ) m a x s u r f m a x s u r f 软件是由澳大利亚f o r m a t i o nd e s i g ns y s t e m s 公司为船舶设计和 建造者开发的、适用于各种船舶设计、分析和建造的一套非常完整的计算机辅 助船舶设计和建造软件。该软件主要包括了m a x s u r f 、h u l l s p e e d 、h y d r o m a x 、 w o r k s h o p 、s e a k e e p i n g 、p r e f i t 、s p a n 、h y d r o l i n k 等模块 6 1 。与其它诸如t r i b o n 、 f o r a n 、c a d d s 5 等大型计算机辅助船舶设计和建造系统平台相比， m a x s u r f 软件由于其各个子模块均共享一个集成数据库，统一的w i n d o w s 风 格界面简单易学，采用统一的工业标准，可方便地与m i c r o s o f to f f i c e 、 m i c r o s t a t i o n 、a u t o c a d 等进行数据与文件的转换，所以其性能价格比相当高， 生命力很强。澳大利亚之所以能够在世界高性能新船型的研究、设计和建造领 域长期独树一帜、保持领先地位就充分证明了这一点。m a x s u r f 软件目前在 全球已拥有广泛分布在澳大利亚、中国、日本、德国、荷兰、新加坡、美国等 国家的1 0 0 0 多位船舶设计和建造用户，在各种船舶设计和建造领域都得到了非 常普遍的应用。 但是由于这些软件的价格都比较高，所以使用的范围不是很广。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 目前研究的不足 目前国内外的稳性计算软件已经比较成熟了，且各大船检局和各船级社都 有自己的稳性计算系统。中国船级社一般以c o m p a s s 为计算软件。在使用 c o m p a s s 进行船舶性能计算时，需要手动输入型船数据，如型线的型值，这 是一个工作量大，而且容易出错的过程。另外，国内外的完整稳性计算软件价 格都比较昂贵，特别是国外的软件，很多单位，特别是一些中小型的设计单位 或者船厂无法承受，普及程度并不高。 1 3 论文研究的主要内容和关键技术 1 3 1 总体目标 本系统主要针对散货船的各种装载情况下完整稳性的计算以及稳性计算书 的生成，其中包括能自动生成静水力曲线表、邦金曲线表、以及横交曲线表以 及稳性计算书。并能按照中国船级社( c c s ) 2 0 0 4 年船舶与海上法定检验规 则的要求对散货船进行装载稳性计算，包括浮态计算和稳性计算与校核。用 户可以通过友好的界面进行数据输入。具有计算船舶浮态，稳性衡准以及图形 显示的功能。另外，本系统还和c o m p a s s 做了接口，在需要的时候可以访问 c o m p a s s 的数据库文件并进行需要的操作，并可以从c o m p a s s 的数据库文 件导出数据。 1 3 2 研究内容 本论文研究的主要内容将包括以下四个部分： ：1 1 ) 插值方法 为了使这个计算系统的自动化程度得到提高，在程序编制的过程中将有大 量的插值计算。为了提高插值计算的准确性，系统将采用三次非均匀有理b 样 条插值方法。 、 2 ) 自动读取a u t o c a d 二维图形数据模块 此模块的主要功能是自动地从a u t o c a d 中读取完整稳性计算的相关数据， 4 武汉理工大学硕士学位论文 并可以对数据进行处理，导入用于本计算系统的静水力性能计算和c o m p a s s 性能计算的数据库文件中。 3 ) 与c o m p a s s 连接部分： c o m p a s s 连接模块包括，对c o m p a s s 数据文件的访问和各项数据输入、 输出处理，该模块的另一个功能是从c o m p a s s 中读取型值及其他的主要数据 后，导入到本计算系统。 4 ) 完整稳性计算系统 本系统将主要分为三大大模块：输入模块、处理模块、输出模块。输入模 块包括型线型值输入、船舶主要尺度输入和各分类( 包括空船、船员以及行李 备品、货物、燃油、淡水以及压载水等) 重量重心数据的输入；处理模块是散 货船装载计算程序的核心部分，包括船舶重量重心计算、浮态计算和船舶稳性 衡准计算；输出模块包括计算结果的显示、图形显示以及结果打印。 本程序的主要功能包括：散货船的浮态；完整稳性计算；完整稳性 计算书的生成，其中船舶的各项静水力计算结果是以原武汉水运工程学院编制 的静水力计算软件为基础的。 1 3 3 主要技术路线 ( 1 ) 本程序生成的静水力曲线表、邦金曲线表、横交曲线表以及稳性计算 书是根据中国船级社( c c s ) 装载手册编制指南要求编制的； ( 2 ) 本程序涉及的的散货船的浮态和稳性计算和衡准，是以中国船级社 ( c c s ) 2 0 0 4 年船舶与海上法定检验规则为指导文件： ( 3 ) 本程序设计采用v i s u a lb a s i c6 0 作为主要编程语言，该语言具有简单 易学，使用方便和容易编制程序界面的特点，另外在程序编制过程中还使用到 v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) 语言和结构化查询语言s q l ( s t r u c t u r e dq u e r y l a n g u a g e ) ； ( 4 ) 程序设计主要是以文本文档、m s e x c e l 和m s a c c e s s 为主要的 数据库文件，采用a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 为访问m s e x c e l 和 m s a c c e s s 数据库的技术； ( 5 ) 本计算系统与a u t o c a d 之间做了数据接口，使用v b a 对a u t o c a d 进行二次开发。用户可以在a u t o c a d 的环境下，通过命令操作自动的读取型线 5 武汉理t 大学硕士学位论文 图的型值，并能将读取的结果存放到指定的文件中。 ( 6 ) 本程序的计算结果直接保存在e x c e l 文件中，用户可以在e x c e l 直接打印。 ( 7 ) 本计算系统与c o m p a s s 做了接口。通过对c o m p a s s 的数据库进 行分析，使用v i s u a lb a s i c 语言，采用a d o 数据库访问技术，可以将各种所需 信息在窗体上显示，并可进行修改、保存以及导出。 ( 8 ) 本程序中采用三次非均匀有理b 样条( n u r b s ) 为插值方法。 1 4 论文编写 本论文以完整稳性计算系统的开发为核心进行编写，主要内容包括了如下 几个部分： 第一章为绪论。本章的主要内容是介绍了散货船的发展趋势，稳性的研究 现状以及论文的研究内容、技术路线和总体目标。 第二章为插值方法介绍。在本系统的编制过程中，涉及到非常多的插值计 算，插值方法采用非均匀有理b 样条( n u r b s ) 。本章的目的是让读者能更好 的理解这种方法，以及这种方法在本计算系统中的应用。 第三章是程序设计语言及数据库介绍。本计算系统中涉及到大量的编程和 数据库的使用。该章详细的介绍了程序采用的语言和数据库技术，以及各种数 据库访问技术的对比。 第四章为a u t o c a d 二维图形的数据读取。为了方便用户使用本软件进行计 算，本论文对a u t o c a d 进行二次开发，实现从a u t o c a d 中读取数据并自动地 导入计算系统的数据库文件。 第五章为本计算系统与c o m p a s s 的数据传递。本章的主要内容是介绍数 据库访问技术和实现的方法，以及从c o m p a s s 中导入完整稳性计算需要的数 据，导入到本计算系统中。 第六章为w h u t - i s c s 完整稳性计算系统的开发。该章的主要内容是介绍 散货船的配载原则、完整稳性计算以及计算系统的开发。 6 武汉理工火学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章数值插值方法 在程序的编制过程中，多次使用到插值计算。插值计算在实现整个系统的 自动化中起了很大的作用。插值指的是在离散数据的基础上补插连续函数，使 得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。插值是离散函数逼近的重要方法， 利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。 插值法是数据处理和编制函数表的常用工具，又是数值积分、数值微分、 非线性方程求根和微分方程数值解法的重要基础，许多求解计算公式都是以插 值为基础导出的。 插值问题的提法是：假定区间【a ，b 】上的实值函数f ( x ) 在该区间上n - + - 1 个 互不相同点x 0 ，x l x n 处的值是f 【x o 】，f 伍n ) ，要求估算f ( x ) 在【a ，b q h 某点的值。其做法是：在事先选定的一个由简单函数构成的有n + 1 个参数c o ， c l ，g 的函数类f ( c o ，c 1 ，中求出满足条件e ( x 0 = f ( x i ) ( i = 0 ， 1 ，n ) 的函数p ( x ) ，并以p 0 作为f o 的估值。此处f ( x ) 称为被插值函数，c o ， x l ，x n 称为插值结( 节) 点，f ( c o ，c t ，c n ) 称为插值函数类，上面等式 称为插值条件，f ( c o ，c n ) 中满足上式的函数称为插值函数，r ( x ) = f ) 一 p ( x ) 称为插值余项。当估算点属于包含x o ，x 1 x n 的最小闭区间时，相应的 插值称为内插，否则称为外插。 常见的插值方法有如下几种： ( 1 ) 多项式插值 这是最常见的一种函数插值。在一般插值问题中，若选取f 为n 次多项式 类，由插值条件可以唯一确定一个n 次插值多项式满足上述条件。从几何上看 可以理解为：已知平面上n + 1 个不同点，要寻找一条n 次多项式曲线通过这些 点。插值多项式一般有两种常见的表达形式，一个是拉格朗日插值多项式，另 一个是牛顿插值多项式。 ( 2 ) 埃尔米特插值 对于函数f ( x ) ，常常不仅知道它在一些点的函数值，而且还知道它在这些 7 武汉理工大学硕士学位论文 点的导数值。这时的插值函数p ( x ) ，自然不仅要求在这些点等于“x ) 的函数值， 而且要求p ( x ) 的导数在这些点也等于f ( x ) 的导数值。这就是埃尔米特插值问题， 也称带导数的插值问题。从几何上看，这种插值要寻求的多项式曲线不仅要通 过平面上的已知点组，而且在这些点( 或者其中一部分) 与原曲线“密切”，即 它们有相同的斜率。可见埃尔米特插值多项式比起一般多项式插值有较高的光 滑逼近要求。 ( 3 ) 分段插值与样条插值 为了避免高次插值可能出现的大幅度波动现象，在实际应用中通常采用分 段低次插值来提高近似程度，比如可用分段线性插值或分段三次埃尔米特插值 来逼近已知函数，但它们的总体光滑性较差。为了克服这一缺点，一种全局化 的分段插值方法n u r b s 插值成为比较理想的工具。 2 2 1 3 样条理论 2 2 1 b 样条的递推定义 b 样条曲线方程可写为： 砸) 2 ) ( 2 - 1 ) 其中，d i o = 0 ，1 ，n ) 为控制点，顺序连接而成的折线即为b 样条的控制 多边形，u 为节点，序列为u ：u osu 1s u 。“，k 表示b 样条的幂次，下标 i 为b 样条的序号。 由d e b o o r 和c o x 分别导出的b 样条定义，b 样条基函数可以表示为： 啪) 2 置u 其i l u “k u iu i + | ( + 1 一u i + l = 0 8 ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中表明，任意k 次b 样条可由两个相邻的k - 1 次b 样条的线性组合构成 2 2 2 b 样条的性质 ( 1 ) b 样条的局部支柱性质 局部支柱性质也称为局部支撑性质，它是b 样条最重要的性质之，也是 b 样条方法与b e z i e r 方法的主要差别所在。由于局部支柱性质，使b 样条曲线 具有良好的局部性，从而为曲线、曲面设计奠定了良好的基础。 ( 2 ) b 样条的凸组合性质 b 样条的凸组合性质表示为。 罗b i , k ) = 1 i 一- o o b 样条的凸组合性质保证了b 样条曲线的凸包性，即b 样条曲线必须处在 控制多边形所形成的凸包之内。b 样条曲线较强的凸组合性质对于采用b 样条 算法拟合船舶曲线的设计具有重要的实际意义。b 样条曲线的凸组合性质可以 使设计人员更方便的控制b 样条曲线的形状。 ( 3 ) b 样条在节点处的连续特性 归纳b 样条在节点处的连续特性如下： 1 ) 若一节点矢量中节点均不相重，则k 次b 样条在节点处为k 1 次连续。 2 ) 当存在重节点时，在重节点处的连续性将降低。若节点j 的重复度为m i ( 共 出现m i + 1 次) ，则在该点处，b 样条的连续性将降低m j 阶。应用重节点技巧可 以控制b 样条曲线的几何特性。 2 3 n u r b s b 样条曲线可以按节点向量中节点的分布情况不同分类 ( 1 ) 均匀b 样条曲线( u n i f o r mb s p l i n ec u r v e ) 的节点向量中的节点沿参数 轴均匀或等距分布： ( 2 ) 一般非均匀b 样条曲线( g e n e r a ln o n u n i f o r mb - s p l i n ec u r v e ) 的节点向 量可以任意分布，只要在数学上成立即可。 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 3 1 n u r b s 定义 一条k 阶( k 1 次) 非均匀有理b 样条( n u r b s ，n o n u n i f o r mr a t i o n a l b s p l i n e ) 曲线定义如下： p ) = 娶竺 荟吣加 ( 2 - 3 ) 其中：d i ( i = 0 ，1 ，2 ，n ) 称为控制顶点；w i0 = o ，1 ，2 ，n ) 称为权或权因子，与 控制点相联系。首末权因子w o ，w n 0 ，其余w i t 0 ，为防止分母为零、保留 凸包性质以及曲线不至于因权因子而退化为一点。曩】【( 由为b 样条的基函数，由 公式2 - 2 得到。 2 3 2 n u r b s 性质 n u r b s 除了具有b 样条的优点外，还具有自身的优点： ( 1 ) 对于标准的解析形式和自由曲线提供了统一的数学表达式5 ( 2 ) 由于引入了权因子，使n u r b s 能更加灵活和精确的控制和表达曲线， 如果某个权因子等于零，那么相应的那个控制顶点对曲线根本没有影响。 ( 3 ) 计算稳定且速度快。 2 4 n u r b s 的插值计算 2 4 1 n u r b s 曲线的插值算法 综上所述，已知控制顶点序列，并由控制顶点来确定节点矢量，可以得到 相应的n u r b s 样条曲线。但在实际应用中，常遇到相反的情况，即先己知型 值点列( 测量数据或计算结果) ，需构造一条n u r b s 样条曲线通过已知的型值点 列，也就是根据给定的型值点反求n u r b s 样条曲线的控制顶点，称为n u r b s 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 样条曲线的插值，亦称为n u r b s 样条曲线反求问题。由于三次n u r b s 样条 曲线表达上有明显的优势，应用也最广泛，本文采用的n u r b s 样条曲线为三 次，且节点矢量两端为四重节点以使曲线通过通过控制多边形的首末顶点。 2 4 2 n u r b s 插值曲线节点矢量的确定 节点矢量取规范积累弦长参数化序列。该方法使每个节点区间长度与对应 的曲线上的两点之间的弦长对应起来。通常情况下令： u o = 0 u i u i - 1 + i e l i i = 1 , 2 n 其中p i 一。为向前差分矢量，p ，= e p i 以即弦线矢量。 令d 为整个弦长总和 d 一善旧一i 贝i j 有u o ；0 ，u 。= 1 “；“；一。+ j = 竺二! 兰 i = l , 2 - - - n - - 1 ； ( 2 4 ) 经过规范化后有： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 这种方法如实反映了数据点按弦长的分布情况，一直被认为是最佳参数化 方法，而被广泛采用【8 1 。它克服了数据点按弦长分布不均匀情况下采用均匀参 数