船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件研究開(kāi)發(fā)

王建政，王藝真，張文平，劉利軍，吳朝暉

（1. 哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001；2. 滬東重機(jī)有限公司，上海 200129；3. 浙江海洋學(xué)院，舟山 316000）

0 引 言

船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)問(wèn)題貫穿船舶設(shè)計(jì)、制造、使用之全壽命管理過(guò)程。當(dāng)前，各種商船的船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的圖譜設(shè)計(jì)法，最常用的仍然是荷蘭楚思德B系列槳、日本MAU系列槳圖譜[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多科研院所致力于應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)研究，并開(kāi)發(fā)了一些船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算程序及軟件[2]。然而，這些計(jì)算程序及軟件某種程度上存在一定的局限性，如適用范圍較窄、沒(méi)有覆蓋船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)問(wèn)題的全過(guò)程等[3～5]。針對(duì)船機(jī)槳匹配圖譜設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言[6]，開(kāi)發(fā)了一個(gè)船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)新軟件，不但計(jì)算精度高，而且適用范圍廣，能覆蓋船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)問(wèn)題的全過(guò)程。

1 軟件特點(diǎn)及其基本功能

為了保證船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算精度和適用廣度，所開(kāi)發(fā)的軟件具有以下幾大特點(diǎn)及基本功能：1)構(gòu)建了船舶數(shù)據(jù)庫(kù)（船型包括：散貨船、多用途遠(yuǎn)洋貨船、小型駁船等）、主柴油機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)（機(jī)型包括：MAN、中小型船用柴油機(jī)等）和螺旋槳數(shù)據(jù)庫(kù)（槳型包括：荷蘭B系列螺旋槳、日本MAU系列螺旋槳）；2) 構(gòu)建了良好的人機(jī)交流界面，能進(jìn)行船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)、船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)、螺旋槳空泡校核、螺旋槳強(qiáng)度校核、船舶系柱特性分析、船舶航行特性分析；3) 自動(dòng)生成GUI形式和Excel形式的船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)。

2 軟件開(kāi)發(fā)

2.1 軟件入口界面

本軟件界面眾多，開(kāi)發(fā)一個(gè)入口界面，讓使用者更方便地找到船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算的源頭。此后，只要按照提示，一步步點(diǎn)擊按鈕，就能輕松完成整個(gè)船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2 船舶和螺旋槳數(shù)據(jù)庫(kù)界面

應(yīng)用Excel建立船舶數(shù)據(jù)庫(kù)，可供軟件自動(dòng)調(diào)用，同時(shí)，可方便對(duì)船舶數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展。

2.3 船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)界面

船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)是先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)對(duì)船舶設(shè)計(jì)航速的要求設(shè)計(jì)出最適合的螺旋槳，再計(jì)算主機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，并以此作為訂購(gòu)主機(jī)的依據(jù)。具體有如下兩種途徑：

1) 已知船舶航速V、船舶有效功率曲線，參照母型船的螺旋槳直徑D，確定螺旋槳的效率η0、轉(zhuǎn)速n、螺距比 P / D和主機(jī)轉(zhuǎn)速n、功率 Ps，并據(jù)此從主柴油機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行主機(jī)選型，從而確定主機(jī)。程序方框圖如圖2所示。

圖1 軟件總流程圖

圖2 船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)程序方框圖

2) 已知船舶航速V、船舶有效功率曲線，根據(jù)選定的螺旋槳轉(zhuǎn)速n，確定螺旋槳的效率η0、直徑D、螺距比 P / D和主機(jī)轉(zhuǎn)速n、功率 Ps，并據(jù)此從主柴油機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行主機(jī)選型，從而確定主機(jī)。

2)的計(jì)算原理與1)非常類(lèi)似，只是其先假定一組螺旋槳直徑 Dj(j=1 ,2...m)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最后求出螺旋槳最佳直徑D和主機(jī)轉(zhuǎn)速n、功率 Ps。

2.4 主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)及主機(jī)選項(xiàng)界面

主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)同樣應(yīng)用Excel建立，并被軟件自動(dòng)調(diào)用。通過(guò)計(jì)算并輸入功率儲(chǔ)備（包含發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備、海況儲(chǔ)備和螺旋槳輕槳儲(chǔ)備），就可從主機(jī)庫(kù)中進(jìn)行主機(jī)選型并確定主機(jī)。

食用油的抗氧化劑檢測(cè)方法。要想不斷提升食用油的質(zhì)量安全水平，我們應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)要求落實(shí)食用油的檢測(cè)工作，采取科學(xué)的方法延緩植物油氧化的速度，這樣能夠降低食用油的氧化反應(yīng)速率。然而在實(shí)際生活中，不少企業(yè)為了追求經(jīng)濟(jì)效益，不惜添加一些物質(zhì)催化食用油的氧化反應(yīng)，從而提升食用油的生產(chǎn)效率，假如人們長(zhǎng)期食用一些添加劑較多的食用油，就會(huì)引起一些身體疾病，嚴(yán)重的甚至給人體造成不可挽回的危害，最終也會(huì)影響企業(yè)的發(fā)展。到目前為止，食用油的檢測(cè)方法主要有三種，即比色法、色譜法以及電化學(xué)法。

2.5 船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)界面

經(jīng)過(guò)初始設(shè)計(jì)確定主機(jī)后，就要進(jìn)行船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)，即進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并最終確定螺旋槳。具體程序如下：

已知主機(jī)轉(zhuǎn)速n、功率Ps以及船舶有效功率曲線，確定螺旋槳最佳直徑D、螺旋槳敞水效率η0、螺旋槳最佳螺距比 P / D和船舶所能達(dá)到的最高航速V等。船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)程序方框圖如圖3所示。

2.6 螺旋槳空泡校核界面

完成船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)設(shè)計(jì)槳進(jìn)行空泡校核，以便確定設(shè)計(jì)槳是否滿(mǎn)足空泡要求?？张菪：朔椒ê芏?，軟件采用常用的柏利爾限界線，螺旋槳空泡校核程序方框圖如圖4所示。

如果AE/A0大，則滿(mǎn)足空泡要求，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)計(jì)算；如果AE/A0大，則不滿(mǎn)足空泡要求，需要另選槳型重新進(jìn)行船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖3 船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)程序方框圖

圖4 螺旋槳空泡校核程序方框圖

2.7 螺旋槳強(qiáng)度校核界面

螺旋槳強(qiáng)度校核程序方框圖如圖5所示。如果設(shè)計(jì)槳滿(mǎn)足螺旋槳強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，則不需要進(jìn)行螺距修正，直接進(jìn)入螺旋槳敞水性征曲線計(jì)算及繪制界面，否則就必須進(jìn)入螺旋槳螺距修正計(jì)算界面。

2.8 螺旋槳螺距修正計(jì)算界面

螺旋槳螺距修正程序方框圖如圖6所示。通過(guò)螺距修正后，將以修正后的螺旋槳螺距比進(jìn)入螺旋槳敞水性征曲線計(jì)算及繪制界面，繼續(xù)進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.9 螺旋槳敞水性征曲線計(jì)算及繪制界面

這時(shí)螺旋槳的盤(pán)面比、螺距比和槳葉數(shù)均已設(shè)計(jì)完畢，軟件能夠從上一界面自動(dòng)調(diào)入并在此界面顯示出來(lái)，同時(shí)繪制螺旋槳敞水性征曲線，也借此初步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。

2.10 船舶系柱特性計(jì)算界面

船舶處于系柱狀態(tài)時(shí)，船舶航速 V = 0 ，螺旋槳進(jìn)速 J = 0 ，由螺旋槳敞水性征曲線可知，此時(shí)槳所發(fā)出的推力和轉(zhuǎn)矩均達(dá)到最大值。程序方框圖如圖7所示。

2.11 船舶航行特性計(jì)算界面

船舶航行特性程序方框圖如圖8所示。為了更加直觀明了的顯示船舶航行特性計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了一個(gè)船舶航行特性計(jì)算結(jié)果曲線圖顯示界面。至此，船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)基本完成。

2.12 自動(dòng)生成船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)

為了更加清楚地顯示船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)結(jié)果，自動(dòng)生成船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)是非常必要的。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)顯示船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果界面，同時(shí)具有自動(dòng)生成Excel形式計(jì)算書(shū)的功能,便于存儲(chǔ)和查閱。

圖5 螺旋槳強(qiáng)度校核程序方框圖

圖6 螺旋槳螺距修正程序方框圖

圖7 船舶系柱特性計(jì)算程序圖

圖8 船舶航行特性程序方框圖

3 船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用研究

3.1 B系列螺旋槳應(yīng)用實(shí)例

以頂推船組200t機(jī)駁為例選用荷蘭楚思德B系列螺旋槳對(duì)新開(kāi)發(fā)的船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行應(yīng)用研究，并借此驗(yàn)證計(jì)算軟件的精度。

從生成的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)（如圖9所示）可以看出，200t機(jī)駁船壓載航行時(shí)可達(dá)最大航速約為8.242kn，主機(jī)功率為108.657kW；110%超載航行時(shí)可達(dá)最大航速約為7.89kn，主機(jī)功率為112.77kW；滿(mǎn)載航行，主機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，可達(dá)最大航速約為8.0624kn，主機(jī)功率為111kW。而滿(mǎn)載時(shí)船舶的設(shè)計(jì)最大航速為8.099kn，選定的主機(jī)額定功率為113kW。由此可見(jiàn)，此軟件所完成的船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與船舶初始設(shè)計(jì)要求幾乎一致，說(shuō)明該軟件對(duì)中小型船舶同樣適用，計(jì)算精度較高。

圖9 200t機(jī)駁船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)論書(shū)

圖10 某萬(wàn)噸級(jí)多用途船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)論書(shū)

武漢理工大學(xué)劉海強(qiáng)在其碩士論文中運(yùn)用C#語(yǔ)言編制了機(jī)槳匹配計(jì)算程序，并對(duì)上述同一例子進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算[4]，同時(shí)還對(duì)該例進(jìn)行了人工查圖手工計(jì)算?，F(xiàn)將其進(jìn)行船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)機(jī)算和手算的計(jì)算結(jié)果與本文所述軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 200t機(jī)駁船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表1的對(duì)比結(jié)果可以看出，3種方法針對(duì)200t機(jī)駁進(jìn)行船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果是比較接近的，再次驗(yàn)證本軟件的計(jì)算精度較高。

3.2 MAU系列螺旋槳應(yīng)用實(shí)例

以教材《船舶原理》[7]所述例子某萬(wàn)噸級(jí)多用途遠(yuǎn)洋貨船為例，選用日本運(yùn)輸技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的MAU系列螺旋槳，對(duì)新開(kāi)發(fā)的船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行應(yīng)用研究，再次驗(yàn)證計(jì)算軟件的精度。

從設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)論書(shū)（如圖 10所示）可知，該船壓載航行可達(dá)最大航速約為 16.5728kn，主機(jī)功率為5408.289kW；超載航行時(shí)可達(dá)最大航速約為 15.0768kn，主機(jī)功率為 5828.2638kW；滿(mǎn)載航行時(shí)，主機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，可達(dá)最大航速約為15.4573kn，主機(jī)功率為5722.7kW。

華中科技大學(xué)張麗敏在其碩士論文[3]中運(yùn)用 Visual basic 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序?qū)Υ死策M(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)還進(jìn)行了手工計(jì)算?，F(xiàn)將其機(jī)算結(jié)果、手算結(jié)果、教材結(jié)果與本文所述軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。由表2可知，4種方法設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果非常接近。

表2 設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用MATLAB 編程語(yǔ)言GUI工具開(kāi)發(fā)的船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件，除了計(jì)算精度高，還具有以下幾大特點(diǎn)：1) 使用起來(lái)特別方便，對(duì)使用者的專(zhuān)業(yè)水平要求低，只要輸入幾個(gè)常用的關(guān)鍵參數(shù)，就能很順利地完成整個(gè)船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)；2) 適用范圍廣，從200t的小駁船到萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋貨船均適用；3) 富有人性化的人機(jī)交流界面、豐富多彩的階段結(jié)果顯示圖以及自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，使船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)過(guò)程倍感舒心，且結(jié)果一目了然。

[1] 朱珉虎. 內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[2] 胡安康. 滬東（HD）型船舶螺旋槳的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2001.

[3] 張麗敏. 常規(guī)螺旋槳計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[4] 劉海強(qiáng). 船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)與冷卻系統(tǒng)優(yōu)化研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[5] 胡 義，楊建國(guó). 機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 船海工程，2008，37（3）：11-14.

[6] 羅華飛. MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手冊(cè)(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[7] 盛振綁，劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.