楊琨，舒佳成

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，武漢 430063)

基于B/S模式的船舶機槳匹配遠程計算平臺設(shè)計

楊琨，舒佳成

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，武漢 430063)

針對船舶機槳匹配計算軟件基于單機操作和缺乏遠程協(xié)同作業(yè)支持等問題，在分析回歸系數(shù)法基礎(chǔ)上，采用MATLAB與C#混合編程的方法實現(xiàn)基于B/S模式的船舶機槳匹配遠程計算平臺，通過互聯(lián)網(wǎng)訪問進入該平臺并進行匹配計算，采用文獻數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)輸入本平臺，將計算結(jié)果與文獻結(jié)果對比。結(jié)果表明，該平臺計算結(jié)果與文獻結(jié)果吻合，計算誤差處于工程容忍范圍之內(nèi)，驗證了平臺計算結(jié)果的正確性。

回歸系數(shù)法;匹配計算;C#;MATLAB

目前，網(wǎng)絡(luò)中B/S模式在船舶行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點，學(xué)者對船舶與B/S模式結(jié)合的應(yīng)用研究主要集中在以下幾個方面：①管理類系統(tǒng)的研究，如B/S模式的船舶企業(yè)文檔管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計[1-2]；②監(jiān)控類平臺的研究，如將船舶機艙采集到的數(shù)據(jù)以一定的方式發(fā)送的岸端服務(wù)器，運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)以友好的方式顯示給用戶，實現(xiàn)B/S模式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[3-5]。這些研究提高了船舶行業(yè)的管理水平，給船舶行業(yè)帶來巨大的效益。但是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在船舶設(shè)計行業(yè)中的研究還只是剛剛起步，船舶機槳匹配是船舶設(shè)計中的重要一環(huán)，一般是在初步完成船舶型線設(shè)計或確定有效功率后進行。目前絕大多數(shù)的船舶機槳匹配計算軟件都是通過MATLAB編制相應(yīng)的軟件實現(xiàn)匹配計算[6-11],所編制船舶機槳匹配軟件能夠快速準確進行計算。但是這些軟件都是單機版，且這些計算軟件僅安裝在設(shè)計公司內(nèi)部系統(tǒng)中，當設(shè)計人員不在公司期間，需要進行船舶機槳匹配計算工作時，這種單機版的匹配計算軟件就不能滿足該需求。為此，基于B/S模式，建立船舶機槳匹配計算平臺，為該問題的解決提供一種新思路。

1 船舶機槳匹配原理

船舶機槳匹配設(shè)計分為初步匹配和終級匹配。初級匹配是在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在機槳功率相等或是近似相等的情況下求得不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的槳參數(shù)，此時效率最大時的槳與主機即為所求。終級匹配是在初級匹配選定主機后進行的，根據(jù)主機的功率與轉(zhuǎn)速，傳動設(shè)備與軸系傳送效率ηs，計算得到槳收到的功率Pd、槳的效率ηo，船身效率η1等；根據(jù)這些參數(shù)，計算出船能達到的航速和螺旋槳的直徑D、螺距比P/D和螺旋槳效率η等。終級匹配完成后需要進行空泡校核，空泡校核通過完成機槳匹配。設(shè)計一般采用圖譜匹配法[7-11]和回歸系數(shù)法。本文介紹利用回歸系數(shù)法進行機槳匹配計算的方法。

1.1 初級匹配分類

機槳初步匹配一般有2種情況。

1)已知螺旋槳直徑D、船的航速Vs、有效功率Pe，在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，令機槳功率匹配，確定螺旋槳的最佳轉(zhuǎn)速n、螺距比P/D、主機功率Pb及敞水效率ηo。

2)已知螺旋槳轉(zhuǎn)速n、航速V、有效功率Pe，在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，令機槳功率匹配，確定出螺旋槳最佳直徑D、螺距比P/D、主機功率Pb及敞水效率ηo。

在通常的匹配設(shè)計過程中，第一種情況更為普遍，本文針對B型槳以第一種情況為例進行研究。

1.2 初級匹配方法

回歸系數(shù)法是在敞水特征曲線(見圖1)被回歸為多項式形式的基礎(chǔ)上，引入代表設(shè)計船舶螺旋槳推進特性的轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線kt來進行匹配計算的一種方法。其中kt的推導(dǎo)過程如下。

(1)

(2)

由式(1)、式(2)得到

(3)

(4)

根據(jù)進速系數(shù)J的不同，可畫出推力系數(shù)kt的曲線kt。kt拋物線與敞水特性圖譜中kt線相交即為船機槳匹配點(見圖2)，通過匹配點對應(yīng)的進速系數(shù)J，即可求出kt、kq值。再根據(jù)kt、kq和J即可求出其他需要的參數(shù)。圖3為具體的求解流程圖。

1.3 終級匹配方法

終級匹配計算的基本思路是在一定航速范圍內(nèi)，令機槳功率匹配，求得各航速對應(yīng)的最優(yōu)槳的參數(shù)，必然存在某一航速，如果大于該航速，不能找到機槳匹配點，則該點即為所求。終級匹配采用回歸系數(shù)匹配法時，在假定一系列航速情況下，可以轉(zhuǎn)換為初級匹配問題。終級匹配求解的具體流程圖見圖4。

1.4 螺旋槳的空泡校核計算

設(shè)計的螺旋槳槳葉一旦出現(xiàn)空泡，可能導(dǎo)致槳葉面材料剝蝕或是螺旋槳性能惡化，因此避免空泡現(xiàn)象的出現(xiàn)成為螺旋槳設(shè)計需要考慮的一個重要環(huán)節(jié)。螺旋槳空泡校核常采用柏利爾限界線和高恩限界線。高恩限界線是針對高恩螺旋槳系列進行空泡校核的，而柏利爾限界線是根據(jù)各類船舶螺旋槳統(tǒng)計資料提出的，使用范圍更廣。本文針對B型槳進行研究，因此采用柏利爾限界線進行校核[12]。具體的校核流程見圖5。

2 計算平臺程序設(shè)計

2.1 C#與MATLAB的混合編程

本平臺采用C#與MATLAB混合編程方式實現(xiàn)船機槳的匹配計算。MATLAB有強大的計算和繪圖功能，本平臺利用MATLAB的這一特點，實現(xiàn)匹配圖中曲線的計算和繪制，并以輸出數(shù)組和二進制圖形數(shù)據(jù)的形式供給C#調(diào)用。根據(jù)圖3、4、5所示的流程，在MATLAB中編寫匹配和校核的.m文件，通過MATLAB的MATLAB Compiler工具將.m文件生成DLL文件供給C#調(diào)用。

C#在調(diào)用MATLAB生成的DLL文件之前，需要添加對MWArray.dll的引用，添加的MWArray.dll的作用主要是將調(diào)用時數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為MATLAB能夠識別的數(shù)據(jù)類型。C#和MATLAB應(yīng)用部署時，需要MCR(MATLAB Compiler Runtime)支持，其版本根據(jù)開發(fā)時所用的MATLAB的版本信息而定[13]。

2.2 基于B/S模式的交互框架設(shè)計

B/S模式下，用戶通過瀏覽器向遠程或是本地服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，服務(wù)器收到請求后，對不同請求進行相應(yīng)處理，處理完畢后，將處理的結(jié)果返回到瀏覽器。本文計算平臺B/S模式部署結(jié)構(gòu)見圖6[14]。

2.3 計算平臺功能結(jié)構(gòu)

本平臺基于B/S模式，在平臺的各個環(huán)節(jié)加入數(shù)據(jù)傳遞模塊，即用戶可以將輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)保存在遠程數(shù)據(jù)庫中，以便其他設(shè)計者共享。在具備基本匹配計算的基礎(chǔ)上，為了方便計算數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，采用OLE嵌入Office,以各種不同格式輸出計算結(jié)果。平臺結(jié)構(gòu)見圖7。

3 算例實驗結(jié)果分析

將本平臺部署到遠程服務(wù)器后，在瀏覽器中輸入部署的網(wǎng)址，進入到本平臺的登陸系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼，通過身份驗證后進入到船舶機槳匹配計算平臺，就可以開始進行船舶機槳匹配計算。

3.1 機槳初級匹配計算校驗

輸入初級匹配必要參數(shù)進行機槳初級匹配計算。船機槳初級匹配計算結(jié)果如圖8所示,該結(jié)果(見表1)與文獻[15]中實際設(shè)計初級匹配設(shè)計結(jié)果(見表2)基本吻合，其誤差在工程可接受范圍內(nèi)，因此該設(shè)計符合要求。

P/DJktkqηo0.90.65100.16010.02590.63581.00.70470.18770.03240.64871.10.75570.21580.03980.65121.20.80420.24440.04820.6486

表2 文獻中初級匹配結(jié)果

3.2 機槳終級匹配計算校驗

終級匹配算例采用文獻[16]中的數(shù)據(jù)，將文獻中單位轉(zhuǎn)換為標準單位后輸入，其計算結(jié)果如圖9所示：與文獻結(jié)果比較，基本吻合，驗證初級匹配程序正確。

表3 終級匹配計算結(jié)果

3.3 空泡校核計算校驗

空泡校核參數(shù)來源為文獻[12]，輸入文獻中參數(shù)，即可獲取如圖10所示空泡校核結(jié)果，計算得到所需的盤面比為0.647，與文獻中0.642基本吻合，從而驗證了空泡校核程序的正確性。

4 結(jié)論

通過遠程訪問進入本平臺，利用本平臺計算得出初級匹配、終級匹配以及空泡校核計算結(jié)果。通過本平臺計算結(jié)果與文獻給出的結(jié)果的比較可知，本平臺計算結(jié)果與文獻給出的結(jié)果非常接近，驗證了本平臺的正確性，同時說明了遠程匹配設(shè)計計算的可行性，較好地解決了單機版機槳匹配計算軟件存在的問題。

因此本文僅研究B型槳的機槳匹配問題，所以本平臺只適用于B型槳的機槳匹配問題。要實現(xiàn)本平臺的通用性，還需要研究其他類型槳的機槳匹配方法，并將各種類型槳的機槳匹配算法集成到本平臺中，實現(xiàn)一個通用的機槳匹配平臺，其應(yīng)用的方法與本文所述方法具有一致性。本文研究內(nèi)容為進一步深化遠程機槳匹配計算和未來智能機艙等技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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The Calculation Platform for Matching of Screw Propeller and Diesel Engine Based on B/S Model

YANG Kun, SHU Jia-cheng

(Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The matching software of screw propeller and diesel engine is usually based on stand-alone operation and lack the support for remote synergetic work. To overcome this problem, after examining the coefficient of regression method, the MATLAB was used combined with C# to realize the remote calculation platform based on B/S model. Through the internet access into the calculation platform, using the literature data as the experiment data input of the platform. It was shown that the calculated results of the platform were in agreement with the literature results, and the calculation error was within the tolerance range of the project, proving the correctness of the platform.

regression coefficient; matching computation; C#; MATLAB

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.035

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金青年基金(51309185)

楊琨(1981—)，男，博士，副教授

U664.33

A

1671-7953(2017)02-0148-05

修回日期：2016-06-29

研究方向:船舶軸系狀態(tài)監(jiān)測與診斷