船机桨匹配性能仿真软件开发

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(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063；2.泰州口岸船舶有限公司，江苏 泰州 225321)

目前船机桨匹配设计多数仍采用图谱法，需要设计人员掌握许多复杂的计算公式，查阅大量的图表，不仅工作量庞大，而且容易产生误差影响最终的匹配结果[1]。随着计算机仿真技术的发展，部分科研院所已将许多以往的经验设计转为数字仿真设计，针对船机桨匹配研究开发了计算机程序和软件，既减少了设计成本，又能将设计人员从重复的技术工作中解放出来，提高工作效率[2]。

已有的船机桨匹配研究大多针对某一固定匹配形式，且侧重于仿真正车正航工况，其他工况如加减速、倒车、系泊、紧急制动等较少考虑。然而，要使船舶获得良好的运行状态，除了研究正常工况下的船机桨配合，还应考虑复杂工况下船舶主机和螺旋桨的负荷情况[3]。为此，考虑建立通用型的船机桨仿真模型，在Matlab R2014a和SQL Server 2008的基础上开发船机桨匹配性能仿真软件，充分发挥Matlab/Simulink强大的动态系统建模仿真能力和SQL Server 2008高效的数据管理能力，并且辅以简洁直观的GUI交互界面，为多种类型的船机桨匹配方案提供性能仿真验证，加快匹配设计过程，减少设计成本和技术风险[4]。

1 软件功能需求分析

船机桨匹配性能仿真软件的核心功能包括：①具有一定通用性的船机桨匹配仿真模型，可以灵活组态，适用于多种常见形式的船机桨匹配；②完善的船机桨数据库，可以存储和调用各类船型、主柴油机和螺旋桨参数；③友好的人机交互界面，能够通过界面操作设置仿真的相关参数，进行仿真试验；④根据建立的船机桨仿真模型，对船舶的自由航行特性、系缆(抛锚)特性以及螺旋桨反转特性等进行仿真验证；⑤软件具有保留仿真试验参数设置值和仿真结果的功能，便于分析匹配性能。

船机桨匹配仿真流程见图1。

2 仿真软件基本框架

根据船机桨匹配性能仿真软件的功能需求搭建基本框架，见图2，从功能上可以划分为用户界面层、模型层和数据库层。

1)用户界面层。基于Matlab/GUI建立人机交互界面。界面具备选择基本参数(船型、主机、螺旋桨、海况)和设置仿真参量(转速设定、推进型式、内外桨工作状态、风浪流影响、仿真时间等)进行仿真试验的功能，能够显示和分析得到的船机桨匹配仿真特性曲线，并对数据库进行可视化管理。

2)模型层。基于Matlab/Simulink建立船机桨模型。模型主要包括各个设置模块和计算模块，设置船型、螺旋桨、主机、海况参数为仿真的基本输入参数，考虑各种典型工况及风浪流等因素的影响，能有效计算和分析主机的功率、螺旋桨的推力和转矩，以及船舶的运动状态[5]。

3)数据库层。基于SQL Server 2008建立船机桨数据库。数据库具备存储和调用船机桨模型计算所需相关参数和船机桨匹配特性曲线的功能，具备保存仿真试验设置参数值的功能。

3 仿真软件的实现

3.1 船机桨仿真模型

船舶在各航行阶段工况复杂，为了较为真实地模拟船机桨匹配特性，根据螺旋桨转速和进速的不同组合，将工况分为4个象限并建立数学模型。螺旋桨在敞水中工作时，推力P和转矩M表示为

(1)

(2)

螺旋桨产生的推力除了作用于船体推动船舶前进之外，还有一部分用于克服船舶装载螺旋桨后产生的附加阻力。其中，作用于船体的推力称为有效推力Pe。

(3)

式中：t为推力减额系数,t=(P-Pe)/P。

结合螺旋桨和船体数学模型，船桨系统的运动方程为

(4)

式中：m为船体质量；Δm为船舶附水质量，一般取值范围为m的5%～15%；Vs为船速；Rt为船舶总阻力；RH为正常工况下对应的船体阻力；RP为非正常工作桨产生的附加阻力。

考虑到螺旋桨的负荷变化，参照文献[8]，确定变工况下的推力减额t和伴流分数w。

(5)

(6)

式中：t0为直线正航螺旋桨额定转速ne对应的推力减额，本文按汉克歇尔经验公式t=0.50Cp-0.18计算，Cp为船舶的棱形系数，全速倒航时t取0.33；w0按直线正航额定航速Vse下的伴流分数取值，此处按泰洛公式w0=0.55Cb-0.20计算，Cb为方形系数，倒航时w取值为0。

根据上述公式建立船机桨数学模型，然后在Matlab/Simulink中搭建船机桨仿真模型。通过输入船型、主机和螺旋桨参数，再设置船舶运行所处的工况、推进型式、风浪流影响、突加/突卸负载等条件，即可运行模型得到船机桨匹配特性。模型刚开始运行时，船舶的初始运动状态处于静止状态，在船型参数、主机参数、螺旋桨参数都已经确定的情况下，可以求解船机桨模型获得航速、螺旋桨的推力和转矩、主机功率[6]。

3.2 船机桨数据库

船机桨数据库存储和调用模型仿真有关的所有数据，数据库中的数据显示在界面上，便于设计人员浏览和调用，模型仿真的输出结果最终存入数据库。根据船机桨匹配的仿真过程分析系统数据组成结构，设计基于SQL Server 2008的船机桨数据库。数据库需要实现如下功能。

1)分类存储和管理船型、螺旋桨、主机、海况基本参数。

2)记录与仿真试验相关的详细信息，包括所选船型、螺旋桨、主机、海况参数，以及转速设定、推进型式、内外桨工作状态、风浪流影响、突加/突卸负载、仿真时长等参量。

3)存储船机桨模型仿真得到的匹配特性数据。

在SQL Server 2008中新建数据库，命名为“船机桨数据库”，建立5张数据表作为数据库的基本表，分别是船型参数表(Ship)、主机参数表(MainEngine)、螺旋桨参数表(Propeller)、海况参数表(Circumstance)和仿真结果目录表(Catalogs)，定义各表的字段属性和约束[7]。对某一船机桨匹配方案进行仿真计算后，新建仿真结果表，将得到的仿真数据存入该表。所有仿真试验的信息都记录在仿真结果目录表中，根据仿真结果目录表查询、更改、删除对应的仿真结果表。数据库的结构关系见图3。

3.3 GUI界面设计

使用Matlab/GUI建立人机交互界面，仿真界面的设计流程为[8]：

1)明确设计目标，提出设计构想。按照功能需求将主界面分为4个板块，分别实现仿真功能、分析功能、参数管理功能和结果管理功能;组合使用4个静态文本框和4个面板达到切换显示标签页的效果;根据所需功能绘制出不同功能面板下的界面草图。

2)完成初步的静态界面布局。按照绘制的界面草图，选择实现功能需要的控件，定义好所有控件的类型、名称、位置及初始属性，使用图形对象函数逐一创建控件，完成静态界面布局。

3)编写回调函数，实现程序功能。在生成静态界面的基础上，根据界面设计构想，再细分界面各控件需要实现的功能，编写主要控件的回调函数，使控件响应用户输入操作时，能执行预定功能，实现数据传递、控件属性更改、打开子界面等程序功能。

4)调试程序，优化外观。调试各回调函数之间、主界面与子界面之间，界面与数据库、模型之间的变量传递，确保程序运行正常，优化界面外观，提高操作性和舒适度。

在主界面的操作过程中，数据的显示和编辑需要占据较大的屏幕空间，采用子界面显示和处理数据能很好的实现界面交互功能。子界面包括参数选择界面、转速设置界面、结果选择界面和参数编辑界面等。转速设置界面虽然是通过主界面打开，但不与主界面交互，而是直接和模型之间传递数据。界面的结构关系见图4。

“仿真区”实现模型仿真前的参数设置，仿真过程中的输出数据显示和运行状态控制，以及仿真结束后的数据保存。“分析区”用于分析已仿真的船机桨匹配结果，通过设置曲线的起止时间及X-Y轴参量，显示匹配特性曲线。“参数管理”用于在界面以表格形式显示和编辑螺旋桨、船型、主机、海况参数。“结果管理”显示仿真结果的名称和参数设置值，并能对仿真结果进行管理。仿真软件的GUI界面见图5。

4 典型工况试验

完成船机桨匹配仿真软件的具体设计之后，根据实船运行要求设计典型工况试验，包括分级启动正航试验、系泊状态试验、紧急倒车试验、分级启动倒航试验、正航—停车—倒航试验，以及突加/突卸负载试验[9]。

船机桨参数按照某四机四桨的电力推进工程船进行整定，在界面上添加新的船舶、主机和螺旋桨参数，主要参数包括：船舶排水量6 914.7 m3，船长112.1 m，设计水线长107.4 m，船宽17.5 m，吃水4.5 m，方形系数0.843 5，棱形系数0.745，湿表面积3 032.38 m2，推进电机额定功率3 000 kW，额定转矩200 kN·m，螺旋桨额定转速155 r/min，螺旋桨直径2.76 m，螺距比0.7，盘面比0.5，桨叶数4。

以紧急倒车试验为例，通过转速设置界面设置螺旋桨的转速：初始转速为0.60 s时第1次加速至86 r/min，稳定到240 s时继续第2次加速，到300 s时加速至99 r/min，稳定到600 s时开始第3次加速，660 s加速到123 r/min，稳定到960 s开始第4次加速，1 020 s加速到166 r/min，稳定到1 320 s开始第5次加速，1 380 s加速到最高200 r/min，保持一段时间后于3 000 s开始紧急反转，在3 020 s减速至-130 r/min，然后一直稳定至最后。仿真时长设置为6 000 s，选择上述船舶、主机和螺旋桨进行仿真。仿真结束后，在分析界面调用结果，选取各参量绘制曲线进行分析，见图6。

图6c)中前半段船舶航速随转速分级增加而逐步趋近于额定航速，后半段紧急倒车，转速迅速下降到0然后开始反转，由于船舶的惯性质量较大，故曲线变化平缓；图6d)是整个过程的转速—转矩关系曲线，在正航时反转倒车，会在一定的正转速上出现负的制动转矩，螺旋桨此时不再是起推进器的作用，而是相当于水轮机模式。这是因为船舶在主机停机过程中由于巨大的惯性继续向前运动，而桨在水流冲击下仍努力维持原转向所致[10]。

紧急倒车典型工况中航速、推力、转矩值与理论数据吻合较好，反转特性曲线与理论反转特性基本一致，证明船机桨模型可以较好地模拟船舶的阻力特性和螺旋桨的负载特性。

5 结论

船机桨匹配性能仿真软件在Matlab R2014a和SQL Server 2008数据库的基础上开发而成，其核心是基于Matlab/Simulink建立的船机桨仿真模型。仿真软件的顶层GUI界面提供了可视化操作，使船机桨匹配的仿真过程更加简单直观，通过设置各项参量，运行仿真模型即可得到螺旋桨负载特性曲线和船舶航行指标。数据库的使用增加了仿真试验数据管理的安全性和规范性，方便分析和比对，缩短了得到最优匹配方案的时间，可提高匹配设计效率。

[1] 潘鹏程，赵春华．基于Matlab/Guide的中小型电动船舶船机桨匹配设计研究[J]．舰船科学技术，2016(1)：80-84．

[2] 王建政，王艺真，张文平，等．船机桨匹配设计软件研究开发[J]．船舶与海洋工程,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] 陈宁，施维振，李连峰．VC、SQL Server和Matlab混合编程管理仿真数据[J]．计算机时代,2009(7)：58-60.

[5] G BENVENTO，S BRIZZOLARA，M FIGARI．Simulation of the propulsion system behaviour during ship standard manoeuvres[J]．Practical design of ships and other floating structures，2001，1:657-663．

[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] 闪四清，邵明珠．SQL Server 2008数据库应用实用教程[M]．北京：清华大学出版社，2010．

[8] 罗华飞．MATLAB GUI 设计学习手记[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2014．

[9] 罗彬，陈辉，高海波．船舶电力推进系统中的螺旋桨负载特性仿真[J]．广州航海高等专科学校学报,2009(1)：13-17．

[10] 汪金波．基于DSP直接转矩控制负载模拟系统的研究[D]．福建：集美大学，2012．