計算機(jī)編程實現(xiàn)船機(jī)槳匹配系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：船舶作為一種重要交通工具，不僅承擔(dān)著人員與貨物的運輸工作，而且其安全性能高低直接關(guān)乎著人們的生命財產(chǎn)安全，船機(jī)槳匹配系統(tǒng)直接影響著船舶運行效率高低。因此，利用計算機(jī)編程技術(shù)對船機(jī)槳匹配系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計至關(guān)重要。本文根據(jù)船機(jī)槳匹配的原理，利用MATLAB編程軟件對船機(jī)槳匹配系統(tǒng)各個功能模塊進(jìn)行設(shè)計。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)編程；MATLAB；船機(jī)槳匹配系統(tǒng)；設(shè)計

由于船機(jī)槳三者之間的螺旋槳馬力曲線、主機(jī)特性曲線和航速在不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下都存在一定的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這一點利用計算機(jī)編程就可以實現(xiàn)船機(jī)槳匹配。

1 船機(jī)槳匹配的原理

根據(jù)船舶航行方式與特性曲線，結(jié)合相關(guān)理論，在船舶有效馬力與推馬力曲線兩者之間的平衡點處可以建立出對應(yīng)的船舶螺旋槳轉(zhuǎn)速、航速、主機(jī)馬力值等相關(guān)參數(shù)之間的相互關(guān)系圖。該圖是船機(jī)槳匹配系統(tǒng)設(shè)計的核心與關(guān)鍵，也是船機(jī)槳匹配系統(tǒng)實現(xiàn)并投入運行的基本原理[ 1 ]。在船舶螺旋槳轉(zhuǎn)速一定的情況下，船舶有效馬力曲線與螺旋槳有效推馬力曲線兩條直線連接處的交點即為船舶航行過程中的平衡點。按照同樣的方法，將螺旋槳處于不同轉(zhuǎn)速下的有效推馬力曲線與船舶有效馬力曲線進(jìn)行相連得到多個船舶的平衡點，將這些平衡點連接起來所得到的曲線即為船舶主機(jī)馬力需求曲線。利用該需求曲線可以求出船舶在該航速和這一航速達(dá)到平衡狀態(tài)下時船舶主機(jī)所需馬力值大小。

當(dāng)各種曲線坐標(biāo)原點位于重心時，可以得到船舶船機(jī)槳的運動方程：

（m+m11）

-（m+m22）vr=XH+XP+XR

（m+m22）

+（m+m11）ur=YH+YP+YR

（IZ+m66）

=NH+NP+NR

其中，m表示附加質(zhì)量與附加質(zhì)量靜矩，X、Y、N表示作用在船舶上的力和力矩，H、P、R分別代表船體、螺旋槳和船舵。

2 計算機(jī)編程船機(jī)槳匹配系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 編程工具與軟件總體設(shè)計思路

為保證開發(fā)出的船機(jī)槳匹配系統(tǒng)性能良好、功能強(qiáng)大、切實可行，本系統(tǒng)決定采用當(dāng)前工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛之一的MATLAB編程軟件來作為船機(jī)槳匹配系統(tǒng)開發(fā)工具。MATLAB軟件是一款針對可視化圖形處理和數(shù)據(jù)計算的一種計算機(jī)編程語言，其在工程領(lǐng)域的圖表分析、數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮著巨大的作用，為工程數(shù)據(jù)的計算帶來了巨大的便利[ 2 ]。由該軟件開發(fā)出來的系統(tǒng)不僅運行環(huán)境開放、可擴(kuò)展，而且具有強(qiáng)大的可視化功能和科學(xué)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算能力。在MATLAB軟件中，提供有靈活的圖形處理機(jī)制，利用該機(jī)制和GUIDE工具從GUI組件編程與GUI界面設(shè)計兩部分來開發(fā)船機(jī)槳匹配系統(tǒng)。

船機(jī)槳匹配系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)的具體思路為，利用船舶航行過程中所受阻力特性，主機(jī)選型及其工作特性，螺旋槳推進(jìn)特性等各相關(guān)特性來對船機(jī)槳三者之間的配合特性進(jìn)行分析，找出三者之間配合度最高的狀態(tài)，使船舶在航行過程中盡可能承受小的負(fù)荷。將這一查找過程即匹配利用計算機(jī)編程開發(fā)軟件來實現(xiàn)。

2.2 船機(jī)槳匹配系統(tǒng)設(shè)計

由于船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動過程復(fù)雜，不僅涉及諸多物理學(xué)知識，而且計算量大，因而船機(jī)槳匹配系統(tǒng)設(shè)計需要包含多個功能模塊，通過每一部分功能的實現(xiàn)來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的匹配作用。

船機(jī)槳初始匹配模塊設(shè)計。船機(jī)槳初始匹配模塊的設(shè)計，需要根據(jù)設(shè)計任務(wù)書對船舶航速要求計算出螺旋槳的螺距、效率與轉(zhuǎn)速等參數(shù)，最終確定出最佳螺旋槳，并計算出主機(jī)正常工作所需功率與轉(zhuǎn)速，以為主機(jī)選型提供必要依據(jù)。首先，將船舶設(shè)計最大航速等數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動調(diào)入到船機(jī)槳初始匹配模塊中，然后以手動方式將螺旋槳直徑、轉(zhuǎn)速，軸系傳送效率等數(shù)據(jù)輸入到該界面當(dāng)中，借助系統(tǒng)提供的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計算功能通過循環(huán)計算出船身效率和螺旋槳前進(jìn)速度，求出螺旋槳直徑系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而求出螺旋槳各項參數(shù)最佳值并輸出，完成初始匹配[ 3 ]。在船機(jī)槳初始匹配界面中，有計算、返回、進(jìn)入繪圖界面3個觸控按鈕，19個靜態(tài)文本和42個可編輯文本。當(dāng)輸入螺旋槳直徑、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)后，點擊計算按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部計算并將計算結(jié)果返回顯示在界面上。為保證匹配結(jié)果清晰準(zhǔn)確的呈現(xiàn)在界面上，宜將匹配結(jié)果顯示界面單獨設(shè)計。點擊繪圖按鈕，系統(tǒng)根據(jù)上一步計算出的數(shù)據(jù)即可完成相應(yīng)圖表的繪制。

船機(jī)槳終止匹配模塊設(shè)計。船機(jī)槳終止匹配設(shè)計主要是對初始設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，以確定出最終的螺旋槳。船機(jī)槳終止匹配界面也有計算、返回和進(jìn)入繪圖界面三個按鈕，靜態(tài)文本與可編輯文本框有多個。在該界面中只有一個輸入量齒輪箱速比，其余均為系統(tǒng)計算后直接顯示值。輸入箱速比，點擊計算按鈕，與船機(jī)槳匹配相關(guān)的所有參數(shù)，如航速、螺旋槳進(jìn)速等都會直接顯示在各個對應(yīng)的文本框中。然后點擊繪圖按鈕，系統(tǒng)內(nèi)部將會根據(jù)各個數(shù)值繪制出相應(yīng)的圖表。

船舶航行特性計算界面設(shè)計。與其他操作界面相同，船舶航行特性計算界面同樣包含眾多文本框，有計算、返回和進(jìn)入繪圖界面三個按鈕。首先，點擊計算按鈕，計算出各項數(shù)值，然后返回點擊進(jìn)入繪制航行特性曲線圖按鈕。為保證系統(tǒng)繪制出的曲線圖清晰大方，將繪圖結(jié)果顯示界面設(shè)置成獨立界面，并設(shè)置自動生成船機(jī)槳匹配設(shè)計計算書功能，由系統(tǒng)以Excel表格形式完成這一計算書生成工作，最終實現(xiàn)船機(jī)槳匹配系統(tǒng)功能。

3 總結(jié)

關(guān)于利用計算機(jī)編程手段來實現(xiàn)船機(jī)槳匹配系統(tǒng)設(shè)計這一課題的研究，本文采用MATLAB可視化編程軟件來實現(xiàn)，通過利用該軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算功能與靈活的圖形處理機(jī)制對復(fù)雜的船舶運動進(jìn)行簡化，并對數(shù)據(jù)庫界面、螺旋槳淌水特性界面、船機(jī)槳匹配界面、船舶航行特性界面等的友好設(shè)計，最終實現(xiàn)了船機(jī)槳匹配系統(tǒng)。

總之，隨著計算機(jī)編程技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，船機(jī)槳匹配系統(tǒng)也需要與時俱進(jìn)進(jìn)行不斷更新和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦業(yè)志.船舶吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)船機(jī)槳匹配研究[D].集美大學(xué)，2015.

[2] 劉瑩.船舶航速和航向控制及機(jī)槳匹配研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[3] 王藝真.基于導(dǎo)管槳和雙速比齒輪箱的拖網(wǎng)漁船機(jī)槳匹配軟件設(shè)計[D].浙江海洋學(xué)院，2014.

作者簡介：王雨農(nóng)（1994-），男，內(nèi)蒙古包頭人，專業(yè)或研究方向：計算機(jī)。