船機(jī)槳匹配性能仿真軟件開(kāi)發(fā)

，，，,

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321)

目前船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)多數(shù)仍采用圖譜法，需要設(shè)計(jì)人員掌握許多復(fù)雜的計(jì)算公式，查閱大量的圖表，不僅工作量龐大，而且容易產(chǎn)生誤差影響最終的匹配結(jié)果[1]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，部分科研院所已將許多以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為數(shù)字仿真設(shè)計(jì)，針對(duì)船機(jī)槳匹配研究開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)程序和軟件，既減少了設(shè)計(jì)成本，又能將設(shè)計(jì)人員從重復(fù)的技術(shù)工作中解放出來(lái)，提高工作效率[2]。

已有的船機(jī)槳匹配研究大多針對(duì)某一固定匹配形式，且側(cè)重于仿真正車(chē)正航工況，其他工況如加減速、倒車(chē)、系泊、緊急制動(dòng)等較少考慮。然而，要使船舶獲得良好的運(yùn)行狀態(tài)，除了研究正常工況下的船機(jī)槳配合，還應(yīng)考慮復(fù)雜工況下船舶主機(jī)和螺旋槳的負(fù)荷情況[3]。為此，考慮建立通用型的船機(jī)槳仿真模型，在Matlab R2014a和SQL Server 2008的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)船機(jī)槳匹配性能仿真軟件，充分發(fā)揮Matlab/Simulink強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真能力和SQL Server 2008高效的數(shù)據(jù)管理能力，并且輔以簡(jiǎn)潔直觀的GUI交互界面，為多種類(lèi)型的船機(jī)槳匹配方案提供性能仿真驗(yàn)證，加快匹配設(shè)計(jì)過(guò)程，減少設(shè)計(jì)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[4]。

1 軟件功能需求分析

船機(jī)槳匹配性能仿真軟件的核心功能包括：①具有一定通用性的船機(jī)槳匹配仿真模型，可以靈活組態(tài)，適用于多種常見(jiàn)形式的船機(jī)槳匹配；②完善的船機(jī)槳數(shù)據(jù)庫(kù)，可以存儲(chǔ)和調(diào)用各類(lèi)船型、主柴油機(jī)和螺旋槳參數(shù)；③友好的人機(jī)交互界面，能夠通過(guò)界面操作設(shè)置仿真的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)；④根據(jù)建立的船機(jī)槳仿真模型，對(duì)船舶的自由航行特性、系纜(拋錨)特性以及螺旋槳反轉(zhuǎn)特性等進(jìn)行仿真驗(yàn)證；⑤軟件具有保留仿真試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置值和仿真結(jié)果的功能，便于分析匹配性能。

船機(jī)槳匹配仿真流程見(jiàn)圖1。

2 仿真軟件基本框架

根據(jù)船機(jī)槳匹配性能仿真軟件的功能需求搭建基本框架，見(jiàn)圖2，從功能上可以劃分為用戶(hù)界面層、模型層和數(shù)據(jù)庫(kù)層。

1)用戶(hù)界面層。基于Matlab/GUI建立人機(jī)交互界面。界面具備選擇基本參數(shù)(船型、主機(jī)、螺旋槳、海況)和設(shè)置仿真參量(轉(zhuǎn)速設(shè)定、推進(jìn)型式、內(nèi)外槳工作狀態(tài)、風(fēng)浪流影響、仿真時(shí)間等)進(jìn)行仿真試驗(yàn)的功能，能夠顯示和分析得到的船機(jī)槳匹配仿真特性曲線(xiàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行可視化管理。

2)模型層?；贛atlab/Simulink建立船機(jī)槳模型。模型主要包括各個(gè)設(shè)置模塊和計(jì)算模塊，設(shè)置船型、螺旋槳、主機(jī)、海況參數(shù)為仿真的基本輸入?yún)?shù)，考慮各種典型工況及風(fēng)浪流等因素的影響，能有效計(jì)算和分析主機(jī)的功率、螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩，以及船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[5]。

3)數(shù)據(jù)庫(kù)層?；赟QL Server 2008建立船機(jī)槳數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)具備存儲(chǔ)和調(diào)用船機(jī)槳模型計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)和船機(jī)槳匹配特性曲線(xiàn)的功能，具備保存仿真試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)值的功能。

3 仿真軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 船機(jī)槳仿真模型

船舶在各航行階段工況復(fù)雜，為了較為真實(shí)地模擬船機(jī)槳匹配特性，根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)速和進(jìn)速的不同組合，將工況分為4個(gè)象限并建立數(shù)學(xué)模型。螺旋槳在敞水中工作時(shí)，推力P和轉(zhuǎn)矩M表示為

(1)

(2)

螺旋槳產(chǎn)生的推力除了作用于船體推動(dòng)船舶前進(jìn)之外，還有一部分用于克服船舶裝載螺旋槳后產(chǎn)生的附加阻力。其中，作用于船體的推力稱(chēng)為有效推力Pe。

(3)

式中：t為推力減額系數(shù),t=(P-Pe)/P。

結(jié)合螺旋槳和船體數(shù)學(xué)模型，船槳系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

式中：m為船體質(zhì)量；Δm為船舶附水質(zhì)量，一般取值范圍為m的5%～15%；Vs為船速；Rt為船舶總阻力；RH為正常工況下對(duì)應(yīng)的船體阻力；RP為非正常工作槳產(chǎn)生的附加阻力。

考慮到螺旋槳的負(fù)荷變化，參照文獻(xiàn)[8]，確定變工況下的推力減額t和伴流分?jǐn)?shù)w。

(5)

(6)

式中：t0為直線(xiàn)正航螺旋槳額定轉(zhuǎn)速ne對(duì)應(yīng)的推力減額，本文按漢克歇爾經(jīng)驗(yàn)公式t=0.50Cp-0.18計(jì)算，Cp為船舶的棱形系數(shù)，全速倒航時(shí)t取0.33；w0按直線(xiàn)正航額定航速Vse下的伴流分?jǐn)?shù)取值，此處按泰洛公式w0=0.55Cb-0.20計(jì)算，Cb為方形系數(shù)，倒航時(shí)w取值為0。

根據(jù)上述公式建立船機(jī)槳數(shù)學(xué)模型，然后在Matlab/Simulink中搭建船機(jī)槳仿真模型。通過(guò)輸入船型、主機(jī)和螺旋槳參數(shù)，再設(shè)置船舶運(yùn)行所處的工況、推進(jìn)型式、風(fēng)浪流影響、突加/突卸負(fù)載等條件，即可運(yùn)行模型得到船機(jī)槳匹配特性。模型剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，船舶的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于靜止?fàn)顟B(tài)，在船型參數(shù)、主機(jī)參數(shù)、螺旋槳參數(shù)都已經(jīng)確定的情況下，可以求解船機(jī)槳模型獲得航速、螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩、主機(jī)功率[6]。

3.2 船機(jī)槳數(shù)據(jù)庫(kù)

船機(jī)槳數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和調(diào)用模型仿真有關(guān)的所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)顯示在界面上，便于設(shè)計(jì)人員瀏覽和調(diào)用，模型仿真的輸出結(jié)果最終存入數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)船機(jī)槳匹配的仿真過(guò)程分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基于SQL Server 2008的船機(jī)槳數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)需要實(shí)現(xiàn)如下功能。

1)分類(lèi)存儲(chǔ)和管理船型、螺旋槳、主機(jī)、海況基本參數(shù)。

2)記錄與仿真試驗(yàn)相關(guān)的詳細(xì)信息，包括所選船型、螺旋槳、主機(jī)、海況參數(shù)，以及轉(zhuǎn)速設(shè)定、推進(jìn)型式、內(nèi)外槳工作狀態(tài)、風(fēng)浪流影響、突加/突卸負(fù)載、仿真時(shí)長(zhǎng)等參量。

3)存儲(chǔ)船機(jī)槳模型仿真得到的匹配特性數(shù)據(jù)。

在SQL Server 2008中新建數(shù)據(jù)庫(kù)，命名為“船機(jī)槳數(shù)據(jù)庫(kù)”，建立5張數(shù)據(jù)表作為數(shù)據(jù)庫(kù)的基本表，分別是船型參數(shù)表(Ship)、主機(jī)參數(shù)表(MainEngine)、螺旋槳參數(shù)表(Propeller)、海況參數(shù)表(Circumstance)和仿真結(jié)果目錄表(Catalogs)，定義各表的字段屬性和約束[7]。對(duì)某一船機(jī)槳匹配方案進(jìn)行仿真計(jì)算后，新建仿真結(jié)果表，將得到的仿真數(shù)據(jù)存入該表。所有仿真試驗(yàn)的信息都記錄在仿真結(jié)果目錄表中，根據(jù)仿真結(jié)果目錄表查詢(xún)、更改、刪除對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果表。數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖3。

3.3 GUI界面設(shè)計(jì)

使用Matlab/GUI建立人機(jī)交互界面，仿真界面的設(shè)計(jì)流程為[8]：

1)明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出設(shè)計(jì)構(gòu)想。按照功能需求將主界面分為4個(gè)板塊，分別實(shí)現(xiàn)仿真功能、分析功能、參數(shù)管理功能和結(jié)果管理功能;組合使用4個(gè)靜態(tài)文本框和4個(gè)面板達(dá)到切換顯示標(biāo)簽頁(yè)的效果;根據(jù)所需功能繪制出不同功能面板下的界面草圖。

2)完成初步的靜態(tài)界面布局。按照繪制的界面草圖，選擇實(shí)現(xiàn)功能需要的控件，定義好所有控件的類(lèi)型、名稱(chēng)、位置及初始屬性，使用圖形對(duì)象函數(shù)逐一創(chuàng)建控件，完成靜態(tài)界面布局。

3)編寫(xiě)回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序功能。在生成靜態(tài)界面的基礎(chǔ)上，根據(jù)界面設(shè)計(jì)構(gòu)想，再細(xì)分界面各控件需要實(shí)現(xiàn)的功能，編寫(xiě)主要控件的回調(diào)函數(shù)，使控件響應(yīng)用戶(hù)輸入操作時(shí)，能執(zhí)行預(yù)定功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、控件屬性更改、打開(kāi)子界面等程序功能。

4)調(diào)試程序，優(yōu)化外觀。調(diào)試各回調(diào)函數(shù)之間、主界面與子界面之間，界面與數(shù)據(jù)庫(kù)、模型之間的變量傳遞，確保程序運(yùn)行正常，優(yōu)化界面外觀，提高操作性和舒適度。

在主界面的操作過(guò)程中，數(shù)據(jù)的顯示和編輯需要占據(jù)較大的屏幕空間，采用子界面顯示和處理數(shù)據(jù)能很好的實(shí)現(xiàn)界面交互功能。子界面包括參數(shù)選擇界面、轉(zhuǎn)速設(shè)置界面、結(jié)果選擇界面和參數(shù)編輯界面等。轉(zhuǎn)速設(shè)置界面雖然是通過(guò)主界面打開(kāi)，但不與主界面交互，而是直接和模型之間傳遞數(shù)據(jù)。界面的結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖4。

“仿真區(qū)”實(shí)現(xiàn)模型仿真前的參數(shù)設(shè)置，仿真過(guò)程中的輸出數(shù)據(jù)顯示和運(yùn)行狀態(tài)控制，以及仿真結(jié)束后的數(shù)據(jù)保存?！胺治鰠^(qū)”用于分析已仿真的船機(jī)槳匹配結(jié)果，通過(guò)設(shè)置曲線(xiàn)的起止時(shí)間及X-Y軸參量，顯示匹配特性曲線(xiàn)?！皡?shù)管理”用于在界面以表格形式顯示和編輯螺旋槳、船型、主機(jī)、海況參數(shù)?！敖Y(jié)果管理”顯示仿真結(jié)果的名稱(chēng)和參數(shù)設(shè)置值，并能對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行管理。仿真軟件的GUI界面見(jiàn)圖5。

4 典型工況試驗(yàn)

完成船機(jī)槳匹配仿真軟件的具體設(shè)計(jì)之后，根據(jù)實(shí)船運(yùn)行要求設(shè)計(jì)典型工況試驗(yàn)，包括分級(jí)啟動(dòng)正航試驗(yàn)、系泊狀態(tài)試驗(yàn)、緊急倒車(chē)試驗(yàn)、分級(jí)啟動(dòng)倒航試驗(yàn)、正航—停車(chē)—倒航試驗(yàn)，以及突加/突卸負(fù)載試驗(yàn)[9]。

船機(jī)槳參數(shù)按照某四機(jī)四槳的電力推進(jìn)工程船進(jìn)行整定，在界面上添加新的船舶、主機(jī)和螺旋槳參數(shù)，主要參數(shù)包括：船舶排水量6 914.7 m3，船長(zhǎng)112.1 m，設(shè)計(jì)水線(xiàn)長(zhǎng)107.4 m，船寬17.5 m，吃水4.5 m，方形系數(shù)0.843 5，棱形系數(shù)0.745，濕表面積3 032.38 m2，推進(jìn)電機(jī)額定功率3 000 kW，額定轉(zhuǎn)矩200 kN·m，螺旋槳額定轉(zhuǎn)速155 r/min，螺旋槳直徑2.76 m，螺距比0.7，盤(pán)面比0.5，槳葉數(shù)4。

以緊急倒車(chē)試驗(yàn)為例，通過(guò)轉(zhuǎn)速設(shè)置界面設(shè)置螺旋槳的轉(zhuǎn)速：初始轉(zhuǎn)速為0.60 s時(shí)第1次加速至86 r/min，穩(wěn)定到240 s時(shí)繼續(xù)第2次加速，到300 s時(shí)加速至99 r/min，穩(wěn)定到600 s時(shí)開(kāi)始第3次加速，660 s加速到123 r/min，穩(wěn)定到960 s開(kāi)始第4次加速，1 020 s加速到166 r/min，穩(wěn)定到1 320 s開(kāi)始第5次加速，1 380 s加速到最高200 r/min，保持一段時(shí)間后于3 000 s開(kāi)始緊急反轉(zhuǎn)，在3 020 s減速至-130 r/min，然后一直穩(wěn)定至最后。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為6 000 s，選擇上述船舶、主機(jī)和螺旋槳進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后，在分析界面調(diào)用結(jié)果，選取各參量繪制曲線(xiàn)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖6。

圖6c)中前半段船舶航速隨轉(zhuǎn)速分級(jí)增加而逐步趨近于額定航速，后半段緊急倒車(chē)，轉(zhuǎn)速迅速下降到0然后開(kāi)始反轉(zhuǎn)，由于船舶的慣性質(zhì)量較大，故曲線(xiàn)變化平緩；圖6d)是整個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線(xiàn)，在正航時(shí)反轉(zhuǎn)倒車(chē)，會(huì)在一定的正轉(zhuǎn)速上出現(xiàn)負(fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，螺旋槳此時(shí)不再是起推進(jìn)器的作用，而是相當(dāng)于水輪機(jī)模式。這是因?yàn)榇霸谥鳈C(jī)停機(jī)過(guò)程中由于巨大的慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，而槳在水流沖擊下仍努力維持原轉(zhuǎn)向所致[10]。

緊急倒車(chē)典型工況中航速、推力、轉(zhuǎn)矩值與理論數(shù)據(jù)吻合較好，反轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)與理論反轉(zhuǎn)特性基本一致，證明船機(jī)槳模型可以較好地模擬船舶的阻力特性和螺旋槳的負(fù)載特性。

5 結(jié)論

船機(jī)槳匹配性能仿真軟件在Matlab R2014a和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成，其核心是基于Matlab/Simulink建立的船機(jī)槳仿真模型。仿真軟件的頂層GUI界面提供了可視化操作，使船機(jī)槳匹配的仿真過(guò)程更加簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)設(shè)置各項(xiàng)參量，運(yùn)行仿真模型即可得到螺旋槳負(fù)載特性曲線(xiàn)和船舶航行指標(biāo)。數(shù)據(jù)庫(kù)的使用增加了仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理的安全性和規(guī)范性，方便分析和比對(duì)，縮短了得到最優(yōu)匹配方案的時(shí)間，可提高匹配設(shè)計(jì)效率。

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