船舶操縱模擬器動力裝置系統仿真研究

劉 煒，翟亞軍

(1.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003；2.中遠海運重工有限公司，上海 200120)

船舶操縱模擬器動力裝置系統仿真研究

劉 煒1，翟亞軍2

(1.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003；2.中遠海運重工有限公司，上海 200120)

為了解決船舶駕駛模擬器中快速實時反應船的運動狀態的問題，利用Simulink建立目標船舶柴油機及舵槳的準穩態仿真模型。通過數據接口將該模型產生的模擬目標船的柴油機的實時運行數據存入中間數據庫，與操縱模擬器數據庫連通，對船舶駕駛模擬器中目標船舶的運動參數與動力參數及環境因素綜合計算，將結果數據傳入 OSG虛擬現實環境，實時反應船舶在模擬海況環境下的運行狀態。

操縱模擬器；船舶動力裝置；仿真模型

0 引言

在船舶操縱模擬器的開發研究中，船舶動力裝置仿真結果的輸出一直都是建立船舶操縱模擬器的難點。大連海事大學的唐元元等[1]從通信的角度提出應用UML建模的方法進行動力裝置的仿真，為三維仿真提供平臺，但是沒有解決柴油機的仿真問題。孫建波等[2]提出使用NORCON公司AUTOCHIEF4(AC4)主機遙控系統技術資料建立仿真模型，解決了仿真精度的問題，但僅適用于低速柴油機的應用。江玉玲等[3]對船舶運動數學模型進行了論述，但對船舶動力輸出裝置——柴油機并沒有進行仿真運算。本文將重點論述船舶操縱模擬器中對柴油機動力輸出仿真方法。

1 目標船主機Simulink仿真模型構建

在本系統中使用的船用柴油機模型是瓦錫蘭6L38B船舶柴油機，其Simulink模型包含：壓氣機、中冷器、空氣流量、柴油機有效扭矩、氣缸排氣溫度、渦輪機、軸系動力、調速器、傳動設備[4-6]等模型。為了完善目標船運動過程中的動力特性仿真模型的建立，在目標船柴油機準穩態模型的基礎之上，還要添加螺旋槳、船體以及船舵和航向模型[7-8]，形成船、舵、槳作用一體的仿真模型，其框架圖如圖1所示。

2 螺旋槳轉速與推力的影響因素

2.1壓氣機模型

以目標對象船為例，柴油機裝有廢氣渦輪增壓器，它包含由廢氣渦輪直接帶動的壓氣機。設壓氣機轉速為Nc，壓比為πc，流量為Gc，效率為ηc，進口溫度為Ta，出口溫度為Tc，空氣比熱比為k，進口壓力為Pa，出口壓力為Pc，則壓氣機的溫升為：

(1)

其出口溫度為：Tc=Ta+dTc

出口壓力為：Pc=πcPa

(2)

因此，該模型監測的主要參數為：進口溫度Ta、出口溫度Tc、進口壓力Pa、出口壓力Pc。

2.2中冷器模型

柴油機安裝的增壓空氣冷卻器位于增壓器與進氣管之間，利用冷卻水與增壓空氣換熱。設其效能系數ε=0.7～0.9，壓降系數Kcp=1.8～5 kPa。

中冷器進口溫度Tc1與壓氣機出口溫度Tc相同,中冷器進口壓力Pc1與壓氣機出口壓力Pc相同，因此，可以得到如下公式：

Tci=Tc-ε(Tc-Tw)

(3)

(4)

式中：Tci為中冷器出口溫度；Pc1為中冷器進口壓力；P0為中冷器出口壓力；Tw為冷卻水進口溫度；Gi為通過進氣閥的空氣流量。

在中冷器模型中主要的監測參數為：進口溫度Tc1、出口溫度Tci、進口壓力Pc1、出口壓力P0。

2.3空氣流量模型

在四沖程柴油機中，通過進氣閥的空氣流量Gi是吸氣流量Gi1和掃氣流量Gi2之和，即：

Gi=Gi1+Gi2

(5)

吸氣流量可表示為：

(6)

式中：ηv為充氣系數或者容積效率；Vs為柴油機氣缸總工作容積；R為氣體常數；Pi為進氣口壓力；Ti為進氣口溫度；n為轉速。

如已知掃氣系數Φs，則空氣流量公式可表示為：

Gi=ΦsGi1

(7)

空氣流量模型中，主要選取的監測參數有：柴油機轉速n、空氣流量Gi。

2.4柴油機有效扭矩模型

柴油機有效扭矩Qe計算公式如下：

(8)

式中：Hu為燃油熱值；gc為循環供油量；ηe為有效效率；i為柴油機氣缸數；τ為沖程數。

單位時間內的噴油量Gf的計算公式如下：

(9)

式中：Fn為每循環穩態噴油量。

在柴油機有效扭矩模型中選取的監測參數有：有效扭矩Qe和單位時間噴油量Gf。

2.5氣缸排氣溫度模型

在模擬過程中，氣缸的排氣溫度由經驗公式推出，它與空燃比以及轉速有很大的關系。這里僅以氣缸排氣溫度Te作為監測對象。

2.6渦輪模型

在柴油機準穩態模擬過程中，一般認為柴油機是一個開口系統。根據質量守恒原理，認為渦輪流量Gt近似等于進入氣缸的空氣流量Gi和燃油耗量Gf之和，表示為：

Gt=Gi+Gf

(10)

同時，由于渦輪轉速Ntc與壓氣機轉速Nc相同，可以表示為：

Ntc=Nc

(11)

在渦輪模型中選取的監測對象有：渦輪轉速Ntc和渦輪流量Gt。

2.7軸系動力學模型

柴油機轉速按下式計算：

(12)

式中：Id為柴油機和到離合器為止的半軸系轉動慣量；Qms為軸系的摩擦阻力扭矩；Mp為螺旋槳的負荷力矩。

在軸系動力學模型中，選取的監測對象有：柴油機有效扭矩Qe和螺旋槳的負荷扭矩Mp。

2.8螺旋槳模型

螺旋槳相對于水的運動包含兩個方面：沿航行方向的速度vP和旋轉運動的轉速np。螺旋槳軸上產生的推力Tp計算公式為：

(13)

式中：Kf為推力系數；ρ為海水密度；D為螺旋槳的直徑。

3 系統總體框架

系統總體框架如圖2所示。

操縱模擬器并不直接指揮船體運動模型，而是先將指令發送給動力裝置系統，然后由Simulink得出仿真結果存入數據庫，再使用OSG調用數據庫內容，將指令最終輸出給動力裝置視覺仿真模型和船體運動模型。

船舶航行時的阻力根據其產生的原因及阻力的性質可分為摩擦阻力、旋渦阻力和興波阻力。這三種阻力與船舶的載重、工況和船速有關。通常船體阻力R可以表示為：

(14)

式中：r為阻力系數；Vs為船舶航速；z為系數，在1.5～3之間，取為2。

標準工況下的船體阻力曲線可根據船模試驗得到的船體(包括附體)有效功率Pe計算：

Rs=1 000Pe/Vs

(15)

在各種工況下的船體阻力：

R=F1FdFwRs+Rt

(16)

式中：F1為載重阻力系數，F1≈1.2m/m0-0.2,而m為船體的總質量(實際排水量)，m0為設計排水量；Fd為污底阻力系數，Fd≈1+(0.05～0.13)Y,Y為船底污穢系數；Fw為風浪阻力系數，Fw≈1+Ww/8,Ww為正向風級；Rt為拖帶阻力，如果無拖帶，則Rt=0。

動態仿真中船速vs的計算公式如下：

(17)

式中:Z為同時工作螺旋槳數；P為螺旋槳的有效推力；Kw為附水系數，Kw=1.1。

船舶運動模型如圖3所示。

在Simulink模型與數據庫之間，通過VC++編程設置串口來進行數據讀取并存入到數據庫。其工作過程分為：

①進行串口設置，并打開串口；

②接收數據，將其存入緩存區，并進行分類，之后存入數據庫，并清除緩存區的數據；

③重復接收數據并分類進行存儲，實現實時更新[9]。

4 船舶運動視覺仿真的建立

在本系統中，三維模型的建立是通過專業工具軟件MultiGen Creator形成的。在完成基本的主機模型之后，為了使模型能與系統完整結合，需要再進行DOF的設置，然后基于OSG編程設置回調將主機轉速輸入到三維視覺場景數據庫[8-9]。

在VS2008中利用VC++語言編寫程序,在release環境下運行后得到圖4的視覺仿真場景。

對模型的運行效果進行檢驗，船舶做回轉運動。船舶在35°舵角下前行，待大約轉艏90°時，更改舵角至-35°，查看運動軌跡。通過對Simulink仿真模型的優化，從發出指令到船舶開始回轉動作，時間控制在5 s內，達到了操縱模擬器實時控制船舶運動的效果。

5 結論

本系統通過對船用柴油機以及船舶航行時的重要參數進行Simulink建模，產生模擬運行參數，將得到的參數輸入數據庫；然后使用OSG實時讀取數據庫，將動力系統產生的數據，實時傳遞給船舶運動模型，從而提高船舶操縱模擬器仿真速度。

[1] 唐元元,張均東,曹輝. 大型商船分離型輪機仿真實驗平臺的設計[J].大連海事大學學報,2016(2)：58-62.

[2] 孫建波,郭晨,張旭，等.大型船舶動力裝置的建模與仿真研究[J].系統仿真學報,2007，19(2): 465-468.

[3] 江玉玲，彭國鈞.航海模擬器中船舶數學模型仿真研究[J].實驗室探索與研究，2016(3):24-27.

[4] 錢耀南.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，1991.

[5] 施維振.船舶動力裝置系統仿真及航行視景分布式可視化仿真[D].鎮江：江蘇科技大學，2009.

[6] 黃永安，馬路，劉慧敏. MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發與高級工程應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[7] 陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[8] 陳寧, 龔蘇斌. 船舶回轉運動仿真[J].艦船科學技術，2013(3):48-51.

[9] 陳寧，呂慶倫，解彥琦.基于旋轉軸V和旋轉角的視景仿真系統中鷹眼全景視角觀察器設計 [J].江蘇科技大學學報，2011，25(1)：45-48.

U664.121

A

2016-10-18

劉煒(1977—)，男，講師，從事數字化設計與制造研究；翟亞軍(1981—)，男，工程師，從事船舶運營管理研究。