船体型线测量

一、实验背景及意义
型线图是船舶性能计算、总布置、结构设计以及建造时放样的依据。

型线设计的优劣对船舶的静、动力学性能、使用性能和建造工艺性等方面会产生很大的影响。

因此,型线图设计的准确性和光顺性是船舶设计的重要方面。

但是,由于船体型线设计时存在的误差或在局部光顺过程中的修改,可能导致三个视图相应点的坐标不对应,致使型线图的精确性降低,给后续的船体型线放样带来麻烦,影响造船精度及效率。

所以要对型线进行检测,提高其准确性。

型线设计和修改时,为了保证船舶有较好的阻力性能及外板加工时良好的工艺性,必须保证船体曲面的光顺性。

判断曲线曲面的光顺性一方面依赖于设计人员的经验,另一方面可把光顺问题转化为数学问题,文中采取数学方法对船体型线进行光顺。

目前已有较多文献对曲线的光顺进行探讨,但在三视图对应检查方面所做的工作还很鲜见。

二、实验目的及要求
《船体型线空间坐标测量与误差分析》实验是掌握《船舶与海洋工程建造技术》课程内容重要环节，其目的是帮助学生进一步理解、巩固和掌握《船舶与海洋工程建造技术》课程中船体的空间概念、船体型线三向投影概念、制造精度等知识。

本实验由造船测量仪器应用、船体型线测量、图形回溯与误差分析三个项目构成，采用先进的船体测量仪器和加工设备，综合应用测量数据采集、计算、图形回溯、样本比对分析等实验手段，培养学生对船体结构、型线测量及精度制造等造船生产实际的直接感性认知、分析问题解决问题能力和动手能力。

本实验运用全站仪测量船舶模型，处理数据，然后得出船舶模型型线。

三、实验原理
实验原理：由于不方便直接测量船体表面两点之间的距离，所以利用全站仪的对边测量的功能进行测量。

当两点之间不能直接测距时, 可将全站仪安置在能够观测到两点的任意位置, 利用全站仪能同时观测仪器与镜站间的斜距、竖直角、水平角, 间接计算两镜站点间的斜距、平距、高差。

进行坐标变换：X=H×Sin（HAR） Y=H×Cos（HAR） Z=H×tan(ZA’),其中ZA’=90-ZA HAR 依据角度大小可应用源数据或360-HAR
试验方法：半宽水线对边测量法
半宽水线对边测量法是基于半宽水线概念，以实船水面为基准，运用全站仪对边测量法向下或向上偏移固定ΔH（即水线间距）竖向（如图设定的S10、S9·····、S2设定的理论扫描线）n次扫描，测量设定在船体曲面上的m 条水线（WL+3、WL+2····、WL-6）的n×m点坐标值，用CAD中的样条曲线连接设定水线测量点，就可以得到实测的半宽水线图。

四、测量方法
调平：
首先调节全站仪的支架的高度，固定好后，调节支架承座上的机械调平旋钮，根据指示水平管中的气泡，调节全站仪水平后，再开机，调节全站仪的调节旋钮，使电子水泡处于要求的区域内，误差角度控制在10”以内。

测量：
1.在各分段起点、终点贴“十”字线图标。

8.按“观测”对应的按钮，
其中： H－照准部中心至分段1终点的水平距离
ZA－望远镜（目镜）中心垂向角度
HAR－望远镜（目镜）中心水平方位角
五、实验步骤
1、确定基准水线，即设计水线。

2、确定ΔH，即测量水线吃水方向间距，首先测量设计水线与船底之间的高度h （可由下图的A、B之间的距离V得到），然后自己确定几条水线（比如x条），就可以得出水线间的距离h/x，本次试验Δh=50mm。

3、布置扫描点，即在船体表面贴上含有十字符号的贴纸，首先在基准水线上布置，通常会在首尾曲率变化较大处多布置几个点，以保证型线的准确性，然后在在等距测量水线上也依次布置扫描点，最后布置船体轮廓扫描点，在拐点出要布置扫描点。

4、确定全站仪站点，即空间测量坐标系坐标原点，通常选取船体首尾外侧视野开阔的位置，较外侧的组别负责测量基准水线及以下的扫描点，而较内侧的组别负责测量基准水线以上的扫描点及轮廓扫描点。

5、基准水线对边测量
1、按“ESC”键进入测量模式。

按“SFT”按钮，选择无反射片测量模式，
2、放松“水平制动钮”和“垂直制动钮”，转动照准部，用“粗照准器”初步照准A，旋紧“水平制动钮”和“垂直制动钮”，再旋转“望远镜调焦环”，使目标清晰，转动“水平微动手轮”和“垂直微动手轮”，使望远镜中“十”线精确照准A图标。

按“FUNC”按钮，显示“P1”（右下角处），再按“距离”对应的菜单键。

得出数据：H－照准部中心至起点的水平距离；ZA－望远镜（目镜）中心垂向角度；HAR－望远镜（目镜）中心水平方位角。

3、放松“水平制动钮”和“垂直制动钮”，转动照准部，用“粗照准器”初步照准目标（B图标），旋紧“水平制动钮”和“垂直制动钮”，再旋转“望远镜调焦环”，使目标清晰，转动“水平微动手轮”和“垂直微动手轮”，使望远镜中“十”线精确照准B图标。

4、按“FUNC”按钮，显示“P2”菜单，再按“对边”对应的按钮“F2”，
显示数据：S－A和B间的斜距
H－A和B间的水平距离
V－A和B间的垂向高度差
6、其他水线扫描点测量
1、按“ESC”键进入测量模式。

按“SFT”
按钮，选择无反射片测量模式，显示屏右边显
2、放松“水平制动钮”和“垂直制动钮”，
转动照准部，用“粗照准器”初步照准A，旋
紧“水平制动钮”和“垂直制动钮”，再旋转
“望远镜调焦环”，使目标清晰，转动“水平
微动手轮”和“垂直微动手轮”，使望远镜中
“十”线精确照准A图标。

按“FUNC”按钮，
显示“P1”（右下角处），再按“距离”对应
的菜单键。

得出数据：H－照准部中心至起点的水平
距离；ZA－望远镜（目镜）中心垂向角度；HAR
－望远镜（目镜）中心水平方位角。

3、按“FUNC”按钮，显示“P”菜单，再按“对边”对应的按钮“F2”，调解使得V=50mm，以此确定B点，同理可以确定C、D、E、F、G、H、I、J、K 各点，这些点都是各个水线在船中的点。

4、确定这些点同时贴“十”字线图标。

5、确定各点之后就按上面设计水线的测量方法，基点为刚确定的各水线上
7、轮廓扫描点测量
轮廓测量主要是为了得到中纵剖面的形状，一台全站仪难以测出剖面形状，所以必须有二台全站仪，以AA、BB为界，分别测中前、中后的剖面形状,然后连接在一起。

测量时点的选取主要遵循曲线处点越密集越好，直线则端点测量即可。

如下图所示，在首尾可以测较多的点。

六、数据处理
图所示建立excel表格，首先将ZA、HAR转换成弧度。

再将数据转换成船模上点相对于全站仪的空间坐标：
X=H×Sin（HAR）
Y=H×Cos（HAR）
Z=H×tan(ZA’),其中ZA’=90-ZA HAR 依据角度大小可应用源数据或360-HAR
直角坐标为在excel中单元输入=X&”,”&Y&”,”&Z然后回车，相当于在excel中定义空间坐标。

我们得到7个测量点相对于全站仪的空间坐标，那我们可以在CAD中将这7个点的空间坐标输入，然后用曲线连接，就可以得到我们需要的设计水线。

所有的水线都可以用此思维，最后在空间坐标画出水线及中纵剖面。

七、船体型线绘图
CAD中画曲线有个快捷方式，首先点击CAD中，然后输入曲线第一点坐标，如：，剩余的点一起复制，粘贴到命令即可。

注意：水线可以用曲线将所有点都连接，但是轮廓最好不要用曲线将所有点都连接，因为轮廓在甲板、底部是直线，尾封板也是直线，螺旋桨轴处的船外板也是直线，所有轮廓线中的曲线分为几部分分别输入，这样得出的轮廓线会更接近实际。

注意：水线可以用曲线将所有点都连接，但是轮廓最好不要用曲线将所有点都连接，因为轮廓在甲板、底部是直线，尾封板也是直线，螺旋桨轴处的船外板也是直线，所有轮廓线中的曲线分为几部分分别输入，这样得出的轮廓线会更接近实际。

八、实验误差分析
1、船模未放平，有倾斜角度。

2、人为因素，移动了已经定位了的全站仪，移动后数据全部错误。

3、读取数据时出错，没有正确对应扫描点所在水线。

4、处理数据时角度换算出错。

九、附件
船体型线图。