劉 煒，翟亞軍

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，上海 200120)

船舶操縱模擬器動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真研究

劉 煒1，翟亞軍2

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，上海 200120)

為了解決船舶駕駛模擬器中快速實(shí)時(shí)反應(yīng)船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的問題，利用Simulink建立目標(biāo)船舶柴油機(jī)及舵槳的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真模型。通過數(shù)據(jù)接口將該模型產(chǎn)生的模擬目標(biāo)船的柴油機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)存入中間數(shù)據(jù)庫(kù)，與操縱模擬器數(shù)據(jù)庫(kù)連通，對(duì)船舶駕駛模擬器中目標(biāo)船舶的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與動(dòng)力參數(shù)及環(huán)境因素綜合計(jì)算，將結(jié)果數(shù)據(jù)傳入 OSG虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，實(shí)時(shí)反應(yīng)船舶在模擬海況環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)。

操縱模擬器；船舶動(dòng)力裝置；仿真模型

0 引言

在船舶操縱模擬器的開發(fā)研究中，船舶動(dòng)力裝置仿真結(jié)果的輸出一直都是建立船舶操縱模擬器的難點(diǎn)。大連海事大學(xué)的唐元元等[1]從通信的角度提出應(yīng)用UML建模的方法進(jìn)行動(dòng)力裝置的仿真，為三維仿真提供平臺(tái)，但是沒有解決柴油機(jī)的仿真問題。孫建波等[2]提出使用NORCON公司AUTOCHIEF4(AC4)主機(jī)遙控系統(tǒng)技術(shù)資料建立仿真模型，解決了仿真精度的問題，但僅適用于低速柴油機(jī)的應(yīng)用。江玉玲等[3]對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了論述，但對(duì)船舶動(dòng)力輸出裝置——柴油機(jī)并沒有進(jìn)行仿真運(yùn)算。本文將重點(diǎn)論述船舶操縱模擬器中對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力輸出仿真方法。

1 目標(biāo)船主機(jī)Simulink仿真模型構(gòu)建

在本系統(tǒng)中使用的船用柴油機(jī)模型是瓦錫蘭6L38B船舶柴油機(jī)，其Simulink模型包含：壓氣機(jī)、中冷器、空氣流量、柴油機(jī)有效扭矩、氣缸排氣溫度、渦輪機(jī)、軸系動(dòng)力、調(diào)速器、傳動(dòng)設(shè)備[4-6]等模型。為了完善目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)力特性仿真模型的建立，在目標(biāo)船柴油機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)之上，還要添加螺旋槳、船體以及船舵和航向模型[7-8]，形成船、舵、槳作用一體的仿真模型，其框架圖如圖1所示。

2 螺旋槳轉(zhuǎn)速與推力的影響因素

2.1壓氣機(jī)模型

以目標(biāo)對(duì)象船為例，柴油機(jī)裝有廢氣渦輪增壓器，它包含由廢氣渦輪直接帶動(dòng)的壓氣機(jī)。設(shè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為Nc，壓比為πc，流量為Gc，效率為ηc，進(jìn)口溫度為Ta，出口溫度為Tc，空氣比熱比為k，進(jìn)口壓力為Pa，出口壓力為Pc，則壓氣機(jī)的溫升為：

(1)

其出口溫度為：Tc=Ta+dTc

出口壓力為：Pc=πcPa

(2)

因此，該模型監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)為：進(jìn)口溫度Ta、出口溫度Tc、進(jìn)口壓力Pa、出口壓力Pc。

2.2中冷器模型

柴油機(jī)安裝的增壓空氣冷卻器位于增壓器與進(jìn)氣管之間，利用冷卻水與增壓空氣換熱。設(shè)其效能系數(shù)ε=0.7～0.9，壓降系數(shù)Kcp=1.8～5 kPa。

中冷器進(jìn)口溫度Tc1與壓氣機(jī)出口溫度Tc相同,中冷器進(jìn)口壓力Pc1與壓氣機(jī)出口壓力Pc相同，因此，可以得到如下公式：

Tci=Tc-ε(Tc-Tw)

(3)

(4)

式中：Tci為中冷器出口溫度；Pc1為中冷器進(jìn)口壓力；P0為中冷器出口壓力；Tw為冷卻水進(jìn)口溫度；Gi為通過進(jìn)氣閥的空氣流量。

在中冷器模型中主要的監(jiān)測(cè)參數(shù)為：進(jìn)口溫度Tc1、出口溫度Tci、進(jìn)口壓力Pc1、出口壓力P0。

2.3空氣流量模型

在四沖程柴油機(jī)中，通過進(jìn)氣閥的空氣流量Gi是吸氣流量Gi1和掃氣流量Gi2之和，即：

Gi=Gi1+Gi2

(5)

吸氣流量可表示為：

(6)

式中：ηv為充氣系數(shù)或者容積效率；Vs為柴油機(jī)氣缸總工作容積；R為氣體常數(shù)；Pi為進(jìn)氣口壓力；Ti為進(jìn)氣口溫度；n為轉(zhuǎn)速。

如已知掃氣系數(shù)Φs，則空氣流量公式可表示為：

Gi=ΦsGi1

(7)

空氣流量模型中，主要選取的監(jiān)測(cè)參數(shù)有：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n、空氣流量Gi。

2.4柴油機(jī)有效扭矩模型

柴油機(jī)有效扭矩Qe計(jì)算公式如下：

(8)

式中：Hu為燃油熱值；gc為循環(huán)供油量；ηe為有效效率；i為柴油機(jī)氣缸數(shù)；τ為沖程數(shù)。

單位時(shí)間內(nèi)的噴油量Gf的計(jì)算公式如下：

(9)

式中：Fn為每循環(huán)穩(wěn)態(tài)噴油量。

在柴油機(jī)有效扭矩模型中選取的監(jiān)測(cè)參數(shù)有：有效扭矩Qe和單位時(shí)間噴油量Gf。

2.5氣缸排氣溫度模型

在模擬過程中，氣缸的排氣溫度由經(jīng)驗(yàn)公式推出，它與空燃比以及轉(zhuǎn)速有很大的關(guān)系。這里僅以氣缸排氣溫度Te作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

2.6渦輪模型

在柴油機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模擬過程中，一般認(rèn)為柴油機(jī)是一個(gè)開口系統(tǒng)。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，認(rèn)為渦輪流量Gt近似等于進(jìn)入氣缸的空氣流量Gi和燃油耗量Gf之和，表示為：

Gt=Gi+Gf

(10)

同時(shí)，由于渦輪轉(zhuǎn)速Ntc與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速Nc相同，可以表示為：

Ntc=Nc

(11)

在渦輪模型中選取的監(jiān)測(cè)對(duì)象有：渦輪轉(zhuǎn)速Ntc和渦輪流量Gt。

2.7軸系動(dòng)力學(xué)模型

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：

(12)

式中：Id為柴油機(jī)和到離合器為止的半軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Qms為軸系的摩擦阻力扭矩；Mp為螺旋槳的負(fù)荷力矩。

在軸系動(dòng)力學(xué)模型中，選取的監(jiān)測(cè)對(duì)象有：柴油機(jī)有效扭矩Qe和螺旋槳的負(fù)荷扭矩Mp。

2.8螺旋槳模型

螺旋槳相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng)包含兩個(gè)方面：沿航行方向的速度vP和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速np。螺旋槳軸上產(chǎn)生的推力Tp計(jì)算公式為：

(13)

式中：Kf為推力系數(shù)；ρ為海水密度；D為螺旋槳的直徑。

3 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

操縱模擬器并不直接指揮船體運(yùn)動(dòng)模型，而是先將指令發(fā)送給動(dòng)力裝置系統(tǒng)，然后由Simulink得出仿真結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，再使用OSG調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，將指令最終輸出給動(dòng)力裝置視覺仿真模型和船體運(yùn)動(dòng)模型。

船舶航行時(shí)的阻力根據(jù)其產(chǎn)生的原因及阻力的性質(zhì)可分為摩擦阻力、旋渦阻力和興波阻力。這三種阻力與船舶的載重、工況和船速有關(guān)。通常船體阻力R可以表示為：

(14)

式中：r為阻力系數(shù)；Vs為船舶航速；z為系數(shù)，在1.5～3之間，取為2。

標(biāo)準(zhǔn)工況下的船體阻力曲線可根據(jù)船模試驗(yàn)得到的船體(包括附體)有效功率Pe計(jì)算：

Rs=1 000Pe/Vs

(15)

在各種工況下的船體阻力：

R=F1FdFwRs+Rt

(16)

式中：F1為載重阻力系數(shù)，F(xiàn)1≈1.2m/m0-0.2,而m為船體的總質(zhì)量(實(shí)際排水量)，m0為設(shè)計(jì)排水量；Fd為污底阻力系數(shù)，F(xiàn)d≈1+(0.05～0.13)Y,Y為船底污穢系數(shù)；Fw為風(fēng)浪阻力系數(shù)，F(xiàn)w≈1+Ww/8,Ww為正向風(fēng)級(jí)；Rt為拖帶阻力，如果無拖帶，則Rt=0。

動(dòng)態(tài)仿真中船速vs的計(jì)算公式如下：

(17)

式中:Z為同時(shí)工作螺旋槳數(shù)；P為螺旋槳的有效推力；Kw為附水系數(shù)，Kw=1.1。

船舶運(yùn)動(dòng)模型如圖3所示。

在Simulink模型與數(shù)據(jù)庫(kù)之間，通過VC++編程設(shè)置串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并存入到數(shù)據(jù)庫(kù)。其工作過程分為：

①進(jìn)行串口設(shè)置，并打開串口；

②接收數(shù)據(jù)，將其存入緩存區(qū)，并進(jìn)行分類，之后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并清除緩存區(qū)的數(shù)據(jù)；

③重復(fù)接收數(shù)據(jù)并分類進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新[9]。

4 船舶運(yùn)動(dòng)視覺仿真的建立

在本系統(tǒng)中，三維模型的建立是通過專業(yè)工具軟件MultiGen Creator形成的。在完成基本的主機(jī)模型之后，為了使模型能與系統(tǒng)完整結(jié)合，需要再進(jìn)行DOF的設(shè)置，然后基于OSG編程設(shè)置回調(diào)將主機(jī)轉(zhuǎn)速輸入到三維視覺場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)[8-9]。

在VS2008中利用VC++語言編寫程序,在release環(huán)境下運(yùn)行后得到圖4的視覺仿真場(chǎng)景。

對(duì)模型的運(yùn)行效果進(jìn)行檢驗(yàn)，船舶做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。船舶在35°舵角下前行，待大約轉(zhuǎn)艏90°時(shí)，更改舵角至-35°，查看運(yùn)動(dòng)軌跡。通過對(duì)Simulink仿真模型的優(yōu)化，從發(fā)出指令到船舶開始回轉(zhuǎn)動(dòng)作，時(shí)間控制在5 s內(nèi)，達(dá)到了操縱模擬器實(shí)時(shí)控制船舶運(yùn)動(dòng)的效果。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過對(duì)船用柴油機(jī)以及船舶航行時(shí)的重要參數(shù)進(jìn)行Simulink建模，產(chǎn)生模擬運(yùn)行參數(shù)，將得到的參數(shù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)；然后使用OSG實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，將動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳遞給船舶運(yùn)動(dòng)模型，從而提高船舶操縱模擬器仿真速度。

[1] 唐元元,張均東,曹輝. 大型商船分離型輪機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2016(2)：58-62.

[2] 孫建波,郭晨,張旭，等.大型船舶動(dòng)力裝置的建模與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007，19(2): 465-468.

[3] 江玉玲，彭國(guó)鈞.航海模擬器中船舶數(shù)學(xué)模型仿真研究[J].實(shí)驗(yàn)室探索與研究，2016(3):24-27.

[4] 錢耀南.船舶柴油機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1991.

[5] 施維振.船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真及航行視景分布式可視化仿真[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2009.

[6] 黃永安，馬路，劉慧敏. MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真開發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[7] 陳陽(yáng)泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[8] 陳寧, 龔蘇斌. 船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2013(3):48-51.

[9] 陳寧，呂慶倫，解彥琦.基于旋轉(zhuǎn)軸V和旋轉(zhuǎn)角的視景仿真系統(tǒng)中鷹眼全景視角觀察器設(shè)計(jì) [J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，25(1)：45-48.

U664.121

A

2016-10-18

劉煒(1977—)，男，講師，從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究；翟亞軍(1981—)，男，工程師，從事船舶運(yùn)營(yíng)管理研究。