船機槳匹配性能仿真軟件開發

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

目前船機槳匹配設計多數仍采用圖譜法，需要設計人員掌握許多復雜的計算公式，查閱大量的圖表，不僅工作量龐大，而且容易產生誤差影響最終的匹配結果[1]。隨著計算機仿真技術的發展，部分科研院所已將許多以往的經驗設計轉為數字仿真設計，針對船機槳匹配研究開發了計算機程序和軟件，既減少了設計成本，又能將設計人員從重復的技術工作中解放出來，提高工作效率[2]。

已有的船機槳匹配研究大多針對某一固定匹配形式，且側重于仿真正車正航工況，其他工況如加減速、倒車、系泊、緊急制動等較少考慮。然而，要使船舶獲得良好的運行狀態，除了研究正常工況下的船機槳配合，還應考慮復雜工況下船舶主機和螺旋槳的負荷情況[3]。為此，考慮建立通用型的船機槳仿真模型，在Matlab R2014a和SQL Server 2008的基礎上開發船機槳匹配性能仿真軟件，充分發揮Matlab/Simulink強大的動態系統建模仿真能力和SQL Server 2008高效的數據管理能力，并且輔以簡潔直觀的GUI交互界面，為多種類型的船機槳匹配方案提供性能仿真驗證，加快匹配設計過程，減少設計成本和技術風險[4]。

1 軟件功能需求分析

船機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槳匹配仿真模型，可以靈活組態，適用于多種常見形式的船機槳匹配；②完善的船機槳數據庫，可以存儲和調用各類船型、主柴油機和螺旋槳參數；③友好的人機交互界面，能夠通過界面操作設置仿真的相關參數，進行仿真試驗；④根據建立的船機槳仿真模型，對船舶的自由航行特性、系纜(拋錨)特性以及螺旋槳反轉特性等進行仿真驗證；⑤軟件具有保留仿真試驗參數設置值和仿真結果的功能，便于分析匹配性能。

船機槳匹配仿真流程見圖1。

2 仿真軟件基本框架

根據船機槳匹配性能仿真軟件的功能需求搭建基本框架，見圖2，從功能上可以劃分為用戶界面層、模型層和數據庫層。

1)用戶界面層。基于Matlab/GUI建立人機交互界面。界面具備選擇基本參數(船型、主機、螺旋槳、海況)和設置仿真參量(轉速設定、推進型式、內外槳工作狀態、風浪流影響、仿真時間等)進行仿真試驗的功能，能夠顯示和分析得到的船機槳匹配仿真特性曲線，并對數據庫進行可視化管理。

2)模型層。基于Matlab/Simulink建立船機槳模型。模型主要包括各個設置模塊和計算模塊，設置船型、螺旋槳、主機、海況參數為仿真的基本輸入參數，考慮各種典型工況及風浪流等因素的影響，能有效計算和分析主機的功率、螺旋槳的推力和轉矩，以及船舶的運動狀態[5]。

3)數據庫層。基于SQL Server 2008建立船機槳數據庫。數據庫具備存儲和調用船機槳模型計算所需相關參數和船機槳匹配特性曲線的功能，具備保存仿真試驗設置參數值的功能。

3 仿真軟件的實現

3.1 船機槳仿真模型

船舶在各航行階段工況復雜，為了較為真實地模擬船機槳匹配特性，根據螺旋槳轉速和進速的不同組合，將工況分為4個象限并建立數學模型。螺旋槳在敞水中工作時，推力P和轉矩M表示為

(1)

(2)

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

(3)

式中：t為推力減額系數,t=(P-Pe)/P。

結合螺旋槳和船體數學模型，船槳系統的運動方程為

(4)

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

考慮到螺旋槳的負荷變化，參照文獻[8]，確定變工況下的推力減額t和伴流分數w。

(5)

(6)

式中：t0為直線正航螺旋槳額定轉速ne對應的推力減額，本文按漢克歇爾經驗公式t=0.50Cp-0.18計算，Cp為船舶的棱形系數，全速倒航時t取0.33；w0按直線正航額定航速Vse下的伴流分數取值，此處按泰洛公式w0=0.55Cb-0.20計算，Cb為方形系數，倒航時w取值為0。

根據上述公式建立船機槳數學模型，然后在Matlab/Simulink中搭建船機槳仿真模型。通過輸入船型、主機和螺旋槳參數，再設置船舶運行所處的工況、推進型式、風浪流影響、突加/突卸負載等條件，即可運行模型得到船機槳匹配特性。模型剛開始運行時，船舶的初始運動狀態處于靜止狀態，在船型參數、主機參數、螺旋槳參數都已經確定的情況下，可以求解船機槳模型獲得航速、螺旋槳的推力和轉矩、主機功率[6]。

3.2 船機槳數據庫

船機槳數據庫存儲和調用模型仿真有關的所有數據，數據庫中的數據顯示在界面上，便于設計人員瀏覽和調用，模型仿真的輸出結果最終存入數據庫。根據船機槳匹配的仿真過程分析系統數據組成結構，設計基于SQL Server 2008的船機槳數據庫。數據庫需要實現如下功能。

1)分類存儲和管理船型、螺旋槳、主機、海況基本參數。

2)記錄與仿真試驗相關的詳細信息，包括所選船型、螺旋槳、主機、海況參數，以及轉速設定、推進型式、內外槳工作狀態、風浪流影響、突加/突卸負載、仿真時長等參量。

3)存儲船機槳模型仿真得到的匹配特性數據。

在SQL Server 2008中新建數據庫，命名為“船機槳數據庫”，建立5張數據表作為數據庫的基本表，分別是船型參數表(Ship)、主機參數表(MainEngine)、螺旋槳參數表(Propeller)、海況參數表(Circumstance)和仿真結果目錄表(Catalogs)，定義各表的字段屬性和約束[7]。對某一船機槳匹配方案進行仿真計算后，新建仿真結果表，將得到的仿真數據存入該表。所有仿真試驗的信息都記錄在仿真結果目錄表中，根據仿真結果目錄表查詢、更改、刪除對應的仿真結果表。數據庫的結構關系見圖3。

3.3 GUI界面設計

使用Matlab/GUI建立人機交互界面，仿真界面的設計流程為[8]：

1)明確設計目標，提出設計構想。按照功能需求將主界面分為4個板塊，分別實現仿真功能、分析功能、參數管理功能和結果管理功能;組合使用4個靜態文本框和4個面板達到切換顯示標簽頁的效果;根據所需功能繪制出不同功能面板下的界面草圖。

2)完成初步的靜態界面布局。按照繪制的界面草圖，選擇實現功能需要的控件，定義好所有控件的類型、名稱、位置及初始屬性，使用圖形對象函數逐一創建控件，完成靜態界面布局。

3)編寫回調函數，實現程序功能。在生成靜態界面的基礎上，根據界面設計構想，再細分界面各控件需要實現的功能，編寫主要控件的回調函數，使控件響應用戶輸入操作時，能執行預定功能，實現數據傳遞、控件屬性更改、打開子界面等程序功能。

4)調試程序，優化外觀。調試各回調函數之間、主界面與子界面之間，界面與數據庫、模型之間的變量傳遞，確保程序運行正常，優化界面外觀，提高操作性和舒適度。

在主界面的操作過程中，數據的顯示和編輯需要占據較大的屏幕空間，采用子界面顯示和處理數據能很好的實現界面交互功能。子界面包括參數選擇界面、轉速設置界面、結果選擇界面和參數編輯界面等。轉速設置界面雖然是通過主界面打開，但不與主界面交互，而是直接和模型之間傳遞數據。界面的結構關系見圖4。

“仿真區”實現模型仿真前的參數設置，仿真過程中的輸出數據顯示和運行狀態控制，以及仿真結束后的數據保存。“分析區”用于分析已仿真的船機槳匹配結果，通過設置曲線的起止時間及X-Y軸參量，顯示匹配特性曲線。“參數管理”用于在界面以表格形式顯示和編輯螺旋槳、船型、主機、海況參數。“結果管理”顯示仿真結果的名稱和參數設置值，并能對仿真結果進行管理。仿真軟件的GUI界面見圖5。

4 典型工況試驗

完成船機槳匹配仿真軟件的具體設計之后，根據實船運行要求設計典型工況試驗，包括分級啟動正航試驗、系泊狀態試驗、緊急倒車試驗、分級啟動倒航試驗、正航—停車—倒航試驗，以及突加/突卸負載試驗[9]。

船機槳參數按照某四機四槳的電力推進工程船進行整定，在界面上添加新的船舶、主機和螺旋槳參數，主要參數包括：船舶排水量6 914.7 m3，船長112.1 m，設計水線長107.4 m，船寬17.5 m，吃水4.5 m，方形系數0.843 5，棱形系數0.745，濕表面積3 032.38 m2，推進電機額定功率3 000 kW，額定轉矩200 kN·m，螺旋槳額定轉速155 r/min，螺旋槳直徑2.76 m，螺距比0.7，盤面比0.5，槳葉數4。

以緊急倒車試驗為例，通過轉速設置界面設置螺旋槳的轉速：初始轉速為0.60 s時第1次加速至86 r/min，穩定到240 s時繼續第2次加速，到300 s時加速至99 r/min，穩定到600 s時開始第3次加速，660 s加速到123 r/min，穩定到960 s開始第4次加速，1 020 s加速到166 r/min，穩定到1 320 s開始第5次加速，1 380 s加速到最高200 r/min，保持一段時間后于3 000 s開始緊急反轉，在3 020 s減速至-130 r/min，然后一直穩定至最后。仿真時長設置為6 000 s，選擇上述船舶、主機和螺旋槳進行仿真。仿真結束后，在分析界面調用結果，選取各參量繪制曲線進行分析，見圖6。

圖6c)中前半段船舶航速隨轉速分級增加而逐步趨近于額定航速，后半段緊急倒車，轉速迅速下降到0然后開始反轉，由于船舶的慣性質量較大，故曲線變化平緩；圖6d)是整個過程的轉速—轉矩關系曲線，在正航時反轉倒車，會在一定的正轉速上出現負的制動轉矩，螺旋槳此時不再是起推進器的作用，而是相當于水輪機模式。這是因為船舶在主機停機過程中由于巨大的慣性繼續向前運動，而槳在水流沖擊下仍努力維持原轉向所致[10]。

緊急倒車典型工況中航速、推力、轉矩值與理論數據吻合較好，反轉特性曲線與理論反轉特性基本一致，證明船機槳模型可以較好地模擬船舶的阻力特性和螺旋槳的負載特性。

5 結論

船機槳匹配性能仿真軟件在Matlab R2014a和SQL Server 2008數據庫的基礎上開發而成，其核心是基于Matlab/Simulink建立的船機槳仿真模型。仿真軟件的頂層GUI界面提供了可視化操作，使船機槳匹配的仿真過程更加簡單直觀，通過設置各項參量，運行仿真模型即可得到螺旋槳負載特性曲線和船舶航行指標。數據庫的使用增加了仿真試驗數據管理的安全性和規范性，方便分析和比對，縮短了得到最優匹配方案的時間，可提高匹配設計效率。

[1] 潘鵬程，趙春華．基于Matlab/Guide的中小型電動船舶船機槳匹配設計研究[J]．艦船科學技術，2016(1)：80-84．

[2] 王建政，王藝真，張文平，等．船機槳匹配設計軟件研究開發[J]．船舶與海洋工程,2014(1)：45-49．

[3] Oyvind Notland Smogeli．Control of Marine Propellers from Normal to Extreme Conditions[D]．Norwegian University of Science and Technology，2006．

[4] 陳寧，施維振，李連峰．VC、SQL Server和Matlab混合編程管理仿真數據[J]．計算機時代,2009(7)：58-60.

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[6] LI Dian-pu,WANG ZY.Chebyshev Fitting Way and Error Analysis for Propeller Atlas across Four Quadrants[J]．Journal of Marine Science and Application，2002，1(1)：52-59．

[7] 閃四清，邵明珠．SQL Server 2008數據庫應用實用教程[M]．北京：清華大學出版社，2010．

[8] 羅華飛．MATLAB GUI 設計學習手記[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2014．

[9] 羅彬，陳輝，高海波．船舶電力推進系統中的螺旋槳負載特性仿真[J]．廣州航海高等專科學校學報,2009(1)：13-17．

[10] 汪金波．基于DSP直接轉矩控制負載模擬系統的研究[D]．福建：集美大學，2012．