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(大連理工大學 a.船舶工程學院;b.繼續(xù)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(shù)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(wěn)速時，進行阻力數(shù)據(jù)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(tài)信號測試分析系統(tǒng)將信號濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，由計算機進行數(shù)據(jù)采集。將采集的阻力曲線回放，截取平穩(wěn)的一段，讀取平均值(電壓值)，再乘以設備的標定系數(shù)，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(tǒng)是一種運用虛擬現(xiàn)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(huán)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(shù)。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(shù)”。 “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(tài)及波形；點擊“開始采集”，數(shù)據(jù)采集界面顯示采集過程中的阻力曲線，同時數(shù)據(jù)表中顯示采集阻力數(shù)據(jù)。點擊“停止采集”，停止數(shù)據(jù)采集；點擊“停止拖車”銨鈕，結(jié)束該速度下阻力試驗，并計算和保存采集阻力數(shù)據(jù)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(xù)進行其它船模的阻力試驗。

3 虛擬試驗功能實現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)是基于Visual Basic[2]開發(fā)環(huán)境，采用CommandButton，Label，Textbox，Image，PictureBox，ListView，WindowsMediaPlayer，TabStrip，Slider，F(xiàn)rame等控件，界面緊湊，直觀，易于辨識。系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)、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(shù)”、“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(shù)據(jù)擬合模塊

為了通過有限的模型真實試驗點數(shù)據(jù)給出任意速度情況下的模型阻力，對這些真實數(shù)據(jù)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(shù)求得對應速度下的船模阻力。

通過對實驗數(shù)據(jù)的考察，在實驗速度范圍內(nèi)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(shù)，擬合結(jié)果見表2。

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

擬合結(jié)果以及模型實驗結(jié)果見圖2～7。

3.5 實時數(shù)據(jù)采集模塊

本模塊主要功能是模擬阻力儀輸出信號，由動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，對信號進行濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換，由計算機進行數(shù)據(jù)采集并實時顯示試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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(diào)，阻力也超過了給定速度下的阻力值。

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

(2)

表2 系數(shù)擬合結(jié)果

圖2 500 t漁政船

圖3 75 m金槍魚圍網(wǎng)船

圖4 37 m專業(yè)捕蝦船

式中：ρ——流體密度；

u——速度；

Cf——摩擦阻力系數(shù)。

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(diào)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(shù)據(jù)采集曲線和速度-阻力曲線，且?guī)в杏洃浌δ堋?/p>

3.6 試驗視頻模塊

船模阻力試驗，不僅要獲得阻力數(shù)據(jù)，而且要觀測船體浮態(tài)及時周圍的流動現(xiàn)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(zhuǎn)渦等。

在虛擬試驗中，系統(tǒng)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(huán)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(tài)。

3.7 數(shù)據(jù)及文件管理模塊

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

在實際試驗中，經(jīng)常會出現(xiàn)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(jù)試驗速度大小自動排序功能。

試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以點擊“保存數(shù)據(jù)”銨鈕，彈出保存數(shù)據(jù)界面。保存文件以.txt文件格式。

4 結(jié)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(tǒng)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(tǒng)，不僅可以做為網(wǎng)絡教學資源，也可以成為傳統(tǒng)教學實驗輔助手段。

[1] 伊紹琳.船舶阻力[M].北京：國防工業(yè)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(yè)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(shù)據(jù)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(chuàng)新能力[J].船海工程，2011(40)：78-81.