船模阻力虛擬試驗教學系統開發研究

，，，

(大連理工大學 a.船舶工程學院;b.繼續教育學院，遼寧 大連 116023)

1 船模阻力試驗

船模阻力試驗是將實船按一定的縮尺比制成幾何相似的船模，在弗勞德數Fr相等的條件下，在船池中拖曳以測得船模阻力與速度之間的關系[1]。

船模阻力試驗中的試驗模型由拖車拖曳。船模速度(拖車速度)Vm按照如下公式確定。

(1)

式中：Vs——實船航速；

λ——實船與船模縮尺比。

試驗中，按預先換算好船模速度啟動拖車，當拖車達到給定速度且穩速時，進行阻力數據采集。阻力測量是采用專用的阻力儀，阻力儀輸出信號，由動態信號測試分析系統將信號濾波、放大和A/D轉換，由計算機進行數據采集。將采集的阻力曲線回放，截取平穩的一段，讀取平均值(電壓值)，再乘以設備的標定系數，便可以得到相應航速下的阻力值。通常1個工況要測約15個試驗點,得到阻力和速度的關系曲線，進行實船有效功率預報。

2 阻力虛擬試驗概述

阻力虛擬試驗教學系統是一種運用虛擬現實技術模擬真實船模阻力試驗的計算機教學軟件,采用多媒體技術在計算機上建立虛擬實驗室環境。試驗平臺見圖1。

圖1 模擬試驗界面

試驗開始之前，首先選定船型，隨之船模阻力虛擬試驗平臺上會顯示出選中船模圖片和船型參數。點擊“開始試驗”銨鈕，進行試驗拖車加速度與試驗速度的設置，然后點擊“確定參數”。 “開動拖車”，試驗觀測窗口會播放選中船型相應速度下阻力試驗視頻，學生可以清楚地看到船模運動狀態及波形；點擊“開始采集”，數據采集界面顯示采集過程中的阻力曲線，同時數據表中顯示采集阻力數據。點擊“停止采集”，停止數據采集；點擊“停止拖車”銨鈕，結束該速度下阻力試驗，并計算和保存采集阻力數據平均值。重復上述過程，直到全部試驗完成，生成完整的阻力曲線。點擊 “更換船型”銨鈕，可以繼續進行其它船模的阻力試驗。

3 虛擬試驗功能實現

系統開發是基于Visual Basic[2]開發環境，采用CommandButton，Label，Textbox，Image，PictureBox，ListView，WindowsMediaPlayer，TabStrip，Slider，Frame等控件，界面緊湊，直觀，易于辨識。系統共由7個模塊組成。

3.1 船型選擇模塊

選擇了6條試驗模型，主尺度及試驗條件見表1。

表1 6條船模試驗的主尺度及試驗條件

為了實現這些功能，船型選擇模塊采用了OptionButton控件(單選銨扭)，對應6條試驗模型，選用了6個單選銨扭構成一組，即OptionX(X為1～6)。利用OptionButton控件特點，使6條船型選擇上即相關又互斥[3]。學生一旦選擇某船模，該船模以特定顏色被激活，系統就會輸出與船模相應的所有信息，包括船型的外型圖片、試驗圖片、船型主要參數、試驗速度范圍和船模視頻資料等。

3.2 人機交互模塊

本模塊是模擬拖車速度和加速度給定,加速度大小決定了拖車啟動快慢，通常在高速時，選擇大加速度，以獲得長的測量段。

本模塊輸入拖車速度和拖車起動加速度，采用了Slider控件和Textbox控件，即有兩種輸入方式，滑動輸入和文本輸入。兩種輸入方式，滑動指示和文本顯示均同時響應。

每種船型都對應有一定試驗航速范圍。所以在滑動條最左端顯示選中船模試驗最低速度，最右端顯示了試驗最高速度。如果學生輸入的速度超出了試驗速度范圍，MessageBox對話框會給予提示，并等待重新輸入。

3.3 試驗控制模塊

本模塊主要模擬試驗設備操作，包括開動拖車，用拖車拖曳船模(視頻)。程序編寫上主要選用CommandButton控件，包括：“開始試驗”、“確定參數”、“開動拖車”、“停止拖車”、“開始采集”、“停止采集”和“更換船模”等命令銨鈕。

3.4 試驗數據擬合模塊

為了通過有限的模型真實試驗點數據給出任意速度情況下的模型阻力，對這些真實數據點采用擬合的方法給出每個船模的速度-阻力曲線關系，然后利用該函數求得對應速度下的船模阻力。

通過對實驗數據的考察，在實驗速度范圍內模型實測阻力Rm與船速之間的關系采用三次多項式進行擬合[4]。

(1)

式中：Vm——模型速度；

b0、b1、b2、b3——各項系數，擬合結果見表2。

表2中標準差表征了數據的離散程度，R2為樣本的測定系數，該值介于0～1之間，越接近于1說明函數的擬合程度越高。

擬合結果以及模型實驗結果見圖2～7。

3.5 實時數據采集模塊

本模塊主要功能是模擬阻力儀輸出信號，由動態信號測試分析系統，對信號進行濾波、放大和A/D轉換，由計算機進行數據采集并實時顯示試驗數據曲線。本模塊由兩部分組成，試驗實時顯示采集阻力曲線和實驗采集數據。

在船模阻力試驗實測初始時，拖車加速啟動，阻力急驟上升，隨著拖車速度超調，阻力也超過了給定速度下的阻力值。

本系統選擇的船模其阻力成分主要是摩擦阻力Rf，根據光滑平板紊流摩擦阻力計算。

(2)

表2 系數擬合結果

圖2 500 t漁政船

圖3 75 m金槍魚圍網船

圖4 37 m專業捕蝦船

式中：ρ——流體密度；

u——速度；

Cf——摩擦阻力系數。

Cf采用1957ITTC公式計算。

(3)

圖5 散貨船

圖6 玻璃鋼漁船A

圖7 玻璃鋼漁船B

按上述公式，模擬拖車啟動過程，做出平滑加速段曲線。加速段最大阻力值比理論值上調10%，加速過程時間取決于給定拖車加速度和試驗速度。

當速度回到給定速度值時，阻力值受多種因素影響在一個恒定值附近波動。所以在勻速段阻力試驗曲線增加白噪聲曲線。實測船模阻力實時采集曲線如圖8，船模阻力虛擬試驗實時采集曲線如圖9。

圖8 實測船模阻力實時采集曲線

圖9 模擬船模阻力實時采集曲線

本模塊在同一畫面上可以交替顯示實時數據采集曲線和速度-阻力曲線，且帶有記憶功能。

3.6 試驗視頻模塊

船模阻力試驗，不僅要獲得阻力數據，而且要觀測船體浮態及時周圍的流動現象，如船模在運動過程中興起波浪，船艏的波峰、船艉的波谷和船尾旋轉渦等。

在虛擬試驗中，系統采用播放試驗視頻來替代真實的船模運動。本模塊視頻全部采用大連理工大學船舶試驗水池模型試驗錄像，保證試驗的準確與真實。針對阻力試驗的不同航速，采用了相應試驗錄像。視頻文件為.mpg格式，采用循環播放方式。視頻在播放時增加了視頻最大化的功能，使學生能更清楚地觀測到船模航行時狀態。

3.7 數據及文件管理模塊

本模塊是模擬一次(或全部)試驗結束后，讀出試驗數據，并將試驗數據畫出速度-阻力曲線，保存試驗數據文件功能。

在實際試驗中，經常會出現測量誤差較大的試驗點，需要刪除，并重新進行試驗。因此本模塊具有人工“刪除” 和依據試驗速度大小自動排序功能。

試驗數據結果可以點擊“保存數據”銨鈕，彈出保存數據界面。保存文件以.txt文件格式。

4 結論

1)船舶阻力虛擬試驗雖然不能完全代替真實試驗，但是它卻很接近真實試驗。在虛擬阻力試驗中，學生完全可以把自己置身于試驗之中，一對一地進行，選擇自已感興趣的船型進行試驗，也可選擇多種船型進行比較試驗，有助于對知識的理解。

2)本系統具有良好的可維護性、擴展性，可以不斷更新船型，這對于把學生帶入造船領域前沿將起到積極的作用[5-6]。

3)船模阻力虛擬試驗教學系統，不僅可以做為網絡教學資源，也可以成為傳統教學實驗輔助手段。

[1] 伊紹琳.船舶阻力[M].北京：國防工業出版社，1985.

[2] 李玉林，馬 軍，王 巖.零基礎學Visual Basic + SQL Server[M].北京:機械工業出版社,2008.

[3] 王漢新.Visual Basic程序設計船舶阻力[M].北京：科學出版社，2002.

[4] 王言英.船舶試驗數據的回歸分析[J].大連工學院學報，1980(13):101-114.

[5] 倪少玲，王少新.船舶阻力教學實驗的計算機模擬與仿真[J].實驗技術與管理，2003(6)：41-44.

[6] 倪少玲，宗 智，李海濤，等.重視實驗教學提升學生創新能力[J].船海工程，2011(40)：78-81.