王建政，王藝真，張文平，劉利軍，吳朝暉

（1. 哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001；2. 滬東重機有限公司，上海 200129；3. 浙江海洋學院，舟山 316000）

0 引 言

船機槳匹配設計問題貫穿船舶設計、制造、使用之全壽命管理過程。當前，各種商船的船機槳匹配設計多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的圖譜設計法，最常用的仍然是荷蘭楚思德B系列槳、日本MAU系列槳圖譜[1]。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，許多科研院所致力于應用計算機進行船機槳匹配設計研究，并開發(fā)了一些船機槳匹配設計計算程序及軟件[2]。然而，這些計算程序及軟件某種程度上存在一定的局限性，如適用范圍較窄、沒有覆蓋船機槳匹配設計問題的全過程等[3～5]。針對船機槳匹配圖譜設計方法，運用MATLAB語言[6]，開發(fā)了一個船機槳匹配設計新軟件，不但計算精度高，而且適用范圍廣，能覆蓋船機槳匹配設計問題的全過程。

1 軟件特點及其基本功能

為了保證船機槳匹配設計軟件的計算精度和適用廣度，所開發(fā)的軟件具有以下幾大特點及基本功能：1)構建了船舶數(shù)據(jù)庫（船型包括：散貨船、多用途遠洋貨船、小型駁船等）、主柴油機數(shù)據(jù)庫（機型包括：MAN、中小型船用柴油機等）和螺旋槳數(shù)據(jù)庫（槳型包括：荷蘭B系列螺旋槳、日本MAU系列螺旋槳）；2) 構建了良好的人機交流界面，能進行船機槳匹配初始設計、船機槳匹配終結設計、螺旋槳空泡校核、螺旋槳強度校核、船舶系柱特性分析、船舶航行特性分析；3) 自動生成GUI形式和Excel形式的船機槳匹配設計計算書。

2 軟件開發(fā)

2.1 軟件入口界面

本軟件界面眾多，開發(fā)一個入口界面，讓使用者更方便地找到船機槳匹配設計計算的源頭。此后，只要按照提示，一步步點擊按鈕，就能輕松完成整個船機槳匹配設計計算。

2.2 船舶和螺旋槳數(shù)據(jù)庫界面

應用Excel建立船舶數(shù)據(jù)庫，可供軟件自動調用，同時，可方便對船舶數(shù)據(jù)庫進行擴展。

2.3 船機槳匹配初始設計界面

船機槳匹配初始設計是先根據(jù)設計任務書對船舶設計航速的要求設計出最適合的螺旋槳，再計算主機的轉速和功率，并以此作為訂購主機的依據(jù)。具體有如下兩種途徑：

1) 已知船舶航速V、船舶有效功率曲線，參照母型船的螺旋槳直徑D，確定螺旋槳的效率η0、轉速n、螺距比 P / D和主機轉速n、功率 Ps，并據(jù)此從主柴油機數(shù)據(jù)庫中進行主機選型，從而確定主機。程序方框圖如圖2所示。

圖1 軟件總流程圖

圖2 船機槳匹配初始設計程序方框圖

2) 已知船舶航速V、船舶有效功率曲線，根據(jù)選定的螺旋槳轉速n，確定螺旋槳的效率η0、直徑D、螺距比 P / D和主機轉速n、功率 Ps，并據(jù)此從主柴油機數(shù)據(jù)庫中進行主機選型，從而確定主機。

2)的計算原理與1)非常類似，只是其先假定一組螺旋槳直徑 Dj(j=1 ,2...m)來進行計算，最后求出螺旋槳最佳直徑D和主機轉速n、功率 Ps。

2.4 主機數(shù)據(jù)庫及主機選項界面

主機數(shù)據(jù)庫同樣應用Excel建立，并被軟件自動調用。通過計算并輸入功率儲備（包含發(fā)動機儲備、海況儲備和螺旋槳輕槳儲備），就可從主機庫中進行主機選型并確定主機。

食用油的抗氧化劑檢測方法。要想不斷提升食用油的質量安全水平，我們應該嚴格按照相關要求落實食用油的檢測工作，采取科學的方法延緩植物油氧化的速度，這樣能夠降低食用油的氧化反應速率。然而在實際生活中，不少企業(yè)為了追求經(jīng)濟效益，不惜添加一些物質催化食用油的氧化反應，從而提升食用油的生產(chǎn)效率，假如人們長期食用一些添加劑較多的食用油，就會引起一些身體疾病，嚴重的甚至給人體造成不可挽回的危害，最終也會影響企業(yè)的發(fā)展。到目前為止，食用油的檢測方法主要有三種，即比色法、色譜法以及電化學法。

2.5 船機槳匹配終結設計界面

經(jīng)過初始設計確定主機后，就要進行船機槳匹配終結設計，即進行優(yōu)化設計并最終確定螺旋槳。具體程序如下：

已知主機轉速n、功率Ps以及船舶有效功率曲線，確定螺旋槳最佳直徑D、螺旋槳敞水效率η0、螺旋槳最佳螺距比 P / D和船舶所能達到的最高航速V等。船機槳匹配終結設計程序方框圖如圖3所示。

2.6 螺旋槳空泡校核界面

完成船機槳匹配終結設計后，需要對設計槳進行空泡校核，以便確定設計槳是否滿足空泡要求。空泡校核方法很多，軟件采用常用的柏利爾限界線，螺旋槳空泡校核程序方框圖如圖4所示。

如果AE/A0大，則滿足空泡要求，可以繼續(xù)進行下一步設計計算；如果AE/A0大，則不滿足空泡要求，需要另選槳型重新進行船機槳匹配設計計算。

圖3 船機槳匹配終結設計程序方框圖

圖4 螺旋槳空泡校核程序方框圖

2.7 螺旋槳強度校核界面

螺旋槳強度校核程序方框圖如圖5所示。如果設計槳滿足螺旋槳強度設計要求，則不需要進行螺距修正，直接進入螺旋槳敞水性征曲線計算及繪制界面，否則就必須進入螺旋槳螺距修正計算界面。

2.8 螺旋槳螺距修正計算界面

螺旋槳螺距修正程序方框圖如圖6所示。通過螺距修正后，將以修正后的螺旋槳螺距比進入螺旋槳敞水性征曲線計算及繪制界面，繼續(xù)進行下一步優(yōu)化設計。

2.9 螺旋槳敞水性征曲線計算及繪制界面

這時螺旋槳的盤面比、螺距比和槳葉數(shù)均已設計完畢，軟件能夠從上一界面自動調入并在此界面顯示出來，同時繪制螺旋槳敞水性征曲線，也借此初步檢驗設計的準確度。

2.10 船舶系柱特性計算界面

船舶處于系柱狀態(tài)時，船舶航速 V = 0 ，螺旋槳進速 J = 0 ，由螺旋槳敞水性征曲線可知，此時槳所發(fā)出的推力和轉矩均達到最大值。程序方框圖如圖7所示。

2.11 船舶航行特性計算界面

船舶航行特性程序方框圖如圖8所示。為了更加直觀明了的顯示船舶航行特性計算結果，設計了一個船舶航行特性計算結果曲線圖顯示界面。至此，船機槳匹配設計基本完成。

2.12 自動生成船機槳匹配設計計算書

為了更加清楚地顯示船機槳匹配設計結果，自動生成船機槳匹配設計計算書是非常必要的。為此，設計了一個顯示船機槳匹配設計計算結果界面，同時具有自動生成Excel形式計算書的功能,便于存儲和查閱。

圖5 螺旋槳強度校核程序方框圖

圖6 螺旋槳螺距修正程序方框圖

圖7 船舶系柱特性計算程序圖

圖8 船舶航行特性程序方框圖

3 船機槳匹配設計軟件應用研究

3.1 B系列螺旋槳應用實例

以頂推船組200t機駁為例選用荷蘭楚思德B系列螺旋槳對新開發(fā)的船機槳匹配設計軟件進行應用研究，并借此驗證計算軟件的精度。

從生成的設計計算書（如圖9所示）可以看出，200t機駁船壓載航行時可達最大航速約為8.242kn，主機功率為108.657kW；110%超載航行時可達最大航速約為7.89kn，主機功率為112.77kW；滿載航行，主機轉速為1500r/min時，可達最大航速約為8.0624kn，主機功率為111kW。而滿載時船舶的設計最大航速為8.099kn，選定的主機額定功率為113kW。由此可見，此軟件所完成的船機槳匹配設計計算結果與船舶初始設計要求幾乎一致，說明該軟件對中小型船舶同樣適用，計算精度較高。

圖9 200t機駁船機槳匹配設計計算結論書

圖10 某萬噸級多用途船機槳匹配設計計算結論書

武漢理工大學劉海強在其碩士論文中運用C#語言編制了機槳匹配計算程序，并對上述同一例子進行了計算機輔助分析計算[4]，同時還對該例進行了人工查圖手工計算?，F(xiàn)將其進行船機槳匹配終結設計機算和手算的計算結果與本文所述軟件的計算結果進行對比，如表1所示。

表1 200t機駁船機槳匹配終結設計計算結果對比

從表1的對比結果可以看出，3種方法針對200t機駁進行船機槳匹配終結設計計算結果是比較接近的，再次驗證本軟件的計算精度較高。

3.2 MAU系列螺旋槳應用實例

以教材《船舶原理》[7]所述例子某萬噸級多用途遠洋貨船為例，選用日本運輸技術研究所開發(fā)的MAU系列螺旋槳，對新開發(fā)的船機槳匹配設計軟件進行應用研究，再次驗證計算軟件的精度。

從設計計算結論書（如圖 10所示）可知，該船壓載航行可達最大航速約為 16.5728kn，主機功率為5408.289kW；超載航行時可達最大航速約為 15.0768kn，主機功率為 5828.2638kW；滿載航行時，主機以額定轉速運轉，可達最大航速約為15.4573kn，主機功率為5722.7kW。

華中科技大學張麗敏在其碩士論文[3]中運用 Visual basic 語言開發(fā)程序對此例也進行了計算機輔助設計計算，同時還進行了手工計算。現(xiàn)將其機算結果、手算結果、教材結果與本文所述軟件計算結果進行對比，如表2所示。由表2可知，4種方法設計計算結果非常接近。

表2 設計結果對比

4 結 語

運用MATLAB 編程語言GUI工具開發(fā)的船機槳匹配設計軟件，除了計算精度高，還具有以下幾大特點：1) 使用起來特別方便，對使用者的專業(yè)水平要求低，只要輸入幾個常用的關鍵參數(shù)，就能很順利地完成整個船機槳匹配設計；2) 適用范圍廣，從200t的小駁船到萬噸級遠洋貨船均適用；3) 富有人性化的人機交流界面、豐富多彩的階段結果顯示圖以及自動生成的設計計算書，使船機槳匹配設計過程倍感舒心，且結果一目了然。

[1] 朱珉虎. 內(nèi)河船舶設計手冊[M]. 北京：中國標準出版社，1992.

[2] 胡安康. 滬東（HD）型船舶螺旋槳的研究與開發(fā)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2001.

[3] 張麗敏. 常規(guī)螺旋槳計算機輔助設計[D]. 武漢：華中科技大學，2004.

[4] 劉海強. 船機槳匹配設計與冷卻系統(tǒng)優(yōu)化研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2007.

[5] 胡 義，楊建國. 機槳匹配初步設計軟件實現(xiàn)方法研究[J]. 船海工程，2008，37（3）：11-14.

[6] 羅華飛. MATLAB GUI設計學習手冊(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[7] 盛振綁，劉應中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學出版社，2004.