船舶主推进系统设计软件开发研究

中国科技论文在线船舶主推进系统设计软件开发研究王艳国，彭云霞*作者简介：王艳国（1985-），男，研究生，主要研究方向：船舶动力装置系统性能分析.E-mail:[e-mail]（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063）摘要：近年来，我国的船舶制造业得到了迅猛的发展，船舶主推进系统设计效率低下的问题也日益凸显。针对我国船舶主推进系统设计效率低下和船舶配套技术开发能力严重滞后的现象，项目组与中国船舶重工集团公司某研究所合作，深入研究船舶主推进系统集成设计技术，构想利用计算机实现主推进系统设计智能化、模块化，并利用VisualBasic程序语言编制了船舶主推进系统设计软件。关键词：轮机工程；主推进系统；软件设计中图分类号：U664.1SoftwareDevelopmentInvestigationofShip'sMainPropulsionSystemDesignWangYanguo,PengYunxia(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology,WuHan430063)Abstract:Inrecentyears,China'sshipmanufacturingindustryisdevelopingrapidly,theship'smainpropulsionsystemdesigninefficiencyproblembecomingincreasinglyprominent.Inviewoftheship'smainpropulsionsystemdesigninefficientproblemandlowcapabilityofmatchingtechnologydevelopment,projectteamincooperationwithCSIC,studiesdeeptheship'smainpropulsionsystemintegrationdesigntechniques,makestheideaofchangingmainpropulsionsystemintointellectualizationandmodularization,anddevelopsaship'smainpropulsionsystemdesignsoftwareusingVB.Keywords:marineengineering;ship'smainpropulsionsystem;softwaredevelopment0引言船舶主推进系统是船舶的主要动力系统，其设计的好坏将直接影响船舶的动力性、经济性、可靠性、机动性和生命力等。船舶主推进系统主要由船舶主机、轴系、轴系附件、传动设备和推进器（螺旋桨）组成。为了使船舶的整体性能更好，各备选的船舶主推进系统必须满足船舶对主动力系统的总功率、转速及重量尺寸限制等基本要求。这里包含船型、排水量、航速等相关因素，减速齿轮箱、轴系及螺旋桨各自的效率因素，主动力系统功率储备及工作环境的影响等因素。这使得船舶主推进系统的设计成为船舶设计中最为复杂的任务之一[1]。国外主要船舶配套厂家，如MANB&W公司、Wartsila公司等公司，根据船东的要求和船舶的基本参数，采用模块化设计方法，提供主推进系统完整解决方案，由厂家集成制造出船舶主推进系统，使设计、制造、安装调试和维修服务等集成化，大大提高了主推进系统的总体技术性能、可靠性和船舶的生命力。但目前国内这种完整的船机桨一体模块化配套设计刚刚起步，大多船厂仍然是采取传统的人工计算方法进行船舶主推进系统的设计，船舶配套水平及其技术开发能力严重滞后。因此，有必要进行船舶主推进系统集成设计技术的研究，解决主推进系统设计中的关键技术，为造船工业的发展提供保障。中国科技论文在线本文以船舶柴油机推进动力系统为研究对象，实现船舶柴油机推进动力系统集成设计软件的开发。1软件设计思路传统设计方法是根据设计任务书中的技术要求以及船体设计所提供的资料,通过初步匹配设计决定主机功率、螺旋桨最佳转速或直径，并选择相适应的主机型号；再通过终结匹配设计确定所能达到的最高航速、螺旋桨直径，螺距比及效率；然后进行相应的轴系设计。这种设计方法计算工作繁重,需要查阅大量的图表,获得很多的数据[2]。随着计算机技术的发展，计算机的功能越来越强大，充分发挥计算机的智能化，使船舶主推进系统设计模块化是现代船舶设计的发展趋势。本文选取船舶柴油机推进动力系统作为研究对象，对船舶主推进系统设计的进行研究，采用MicrosoftVisualBasic6.0程序语言来实现计算机模块化的主推进系统智能设计。主推进系统的方案设计是一个经过一系列的预选方案生成并最后寻找满足设计要求或各种功能的最优方案的过程。主推进系统设计软件的设计思路如下（如图1）：1)综合分析设计要求及船体的设计结果（包括船型、尺度、航速-阻力特性等），得出对主推进方案组成得各种约束条件。2)根据由给出的航速要求及阻力特性得到的总功率要求，进行初步设计，计算出满足要求的主机功率，按考虑储备后的功率选择合适的主机型号；对主机螺旋桨进行终结设计，计算出最优螺旋桨的的参数，并考虑机舱尺寸等限制因素，组成主推进装置预先方案。3)对待选方案进行优化选择，寻找出满足设计要求的最佳方案。4)对优选得到的最佳方案给出其主要的性能分析计算结果。图1软件设计思路2软件的实现2.1设计特点在windowsXP系统平台上，采用面向对象的编程语言MicrosoftVisualBasic6.0进行模块化设计，并将MicrosoftAccess2003嵌入VisualBasic，建立数据库通讯管理协调层及轮机设备数据库。这种编程环境易于实现，增加了软件的适用性。利用VisualBasic编程，其代码设计简洁，交互式界面美观、实用。所示。图2程序流程图2.3软件主要模块软件采用模块化设计，这样既降低了程序复杂度，使程序易于优化、扩展、修改、调试和维护等，又可以使软件功能分解，降低功能之间的耦合性，在一定程度上保持各自良好的性能。因此系统各模块既相互独立，又相互联系。用户可进入各自模块输入相应计算参数得到计算结果，也可按照流程进行直至最后的轴系计算。2.3.1机桨匹配计算模块机桨匹配计算模块可以进行机桨匹配初步设计，机桨匹配终结设计，绘制螺旋桨CAD图。根据船舶总体设计（船型、船舶航速、船舶阻力曲线等）对主推进系统的要求，建立船、机、桨之间的能量匹配关系，以系统综合效率最大为目标，综合考虑系统设计的各种需求，采用最优化设计方法，确定主推进系统的最优匹配形式，主机的最优功率、转速、基本结构中国科技论文在线形式，螺旋桨的最优参数（桨型、桨径、桨叶数、螺距比、盘面比等）。在缺少船舶详细资料的情况下，该模块提供了海军系数法和Ayre法经验公式，进行估算船舶阻力，获得船舶有效功率，为主机选型了提供参考。在机桨匹配终结设计后，软件可根据得到的螺旋桨参数绘制螺旋桨CAD图,如图3所示。图3螺旋桨CAD图2.3.2后传动设备选型模块后传动设备选型模块与轮机传动设备数据库相连，数据库系统既可以单独使用（如检索、增删、修改记录等），也可通过通讯管理协调层实现与程序设计系统的数据交换。数据库包括与动力装置有关的参考数据库（如已设计船舶资料库）和动力装置中各通用元部件的数据库（包括船用柴油机库、减速齿轮箱库、联轴节库、离合器库、材料性能库等）。根据机桨匹配计算模块中得到的主机和螺旋桨参数，可进行高弹性联轴器、船用齿轮箱等后传动设备的选型。2.3.3轴系结构设计模块轴系结构设计模块可进行轴颈计算，船体肋位参数设置，轴系结构布置和绘制主推进系统结构CAD图，如图4所示。图4主推进系统CAD图程序采用“海规”计算中间轴、推力轴、尾轴、螺旋桨轴等轴的轴径，参照德国劳氏船级社推荐公式142zld≤和3min24.9zld≥计算轴承跨距范围[3]，根据机舱实际情况进行轴系布置初步设计，初步强度校核计算，绘制轴系布置简图及主推进系统CAD图。2.3.4轴系振动校中模块轴系振动校中模块可进行船舶轴系振动计算、校核计算、事故分析,对选定的主推进系统方案进行初步技术评估，提高了船舶主推进轴系的设计效率，并对船舶运行的安全性有实际指导意义，有广阔的应用前景[4]。3软件的功能及特点3.1软件的功能该软件可综合分析设计要求及船体的设计结果，进行机桨匹配与主机选型计算，后传动中国科技论文在线设备选型，轴系结构设计，轴系振动校中分析，对待选方案进行优化选择，寻找出满足设计要求的最佳方案并以报告的形式输出。轮机设备数据库管理信息系统还可作为独立的工具，进行设备的查询和选型，还可实时添加、删除和修改信息。3.2软件的主要特点3.2.1主推进系统设计速度快传统设计方法的计算工作繁重,需要查阅大量的图表，获得很多的数据，耗时长。随着计算机技术的发展，计算机的计算速度越来越快，使主推进系统的设计可在几分钟内完成，大大加快了设计速度。此外，软件具有出图功能，可绘制螺旋桨和主推进系统的CAD图，这为后期的机舱布置图的绘制节约了大量时间。3.2.2软件适用范围广该软件的适用范围广，基本可以满足船舶主推进系统设计可能遇到的所有情况：1）主机和传动设备均已选定，提供了船舶基本信息。用于船厂已经订购了主机和齿轮箱的情况，这时只需进行轴系设计。2）主机已选定，提供了船舶基本信息，船体设计部门提供了船舶有效功率曲线。用于船厂在购得主机后，通过终结匹配设计计算螺旋桨参数，进行螺旋桨设计，后传动设备选型及轴系设计。3）主机未选定，提供了船舶基本信息，船体设计部门提供了船舶有效功率曲线。用于船舶配套厂商船机桨一体配套设计，需要进行初步、终结匹配计算，螺旋桨设计，后传动设备选型及轴系设计。4）主机已选定，提供了船舶基本信息，船体设计部门未提供了船舶有效功率曲线。这种情况可根据给定主机选择后传动设备，进行轴系设计，但无法进行终结匹配计算，不能进行螺旋桨设计。5）主机未选定，提供了船舶基本信息，船体设计部门只提供了设计航速船舶有效功率。这种情况可进行初步匹配计算得到主机功率，进行主机、后传动设备选型，轴系设计，但也无法进行螺旋桨设计。6）只提供船型、航速、排水量、船舶主尺度等基本情况。这种情况出现在船东订购船舶的初期，通过经验公式估算主机功率来获得船舶主推进系统的粗略信息，进行估价。3.2.3设计精度高在初步匹配计算时，大多船厂传统上采用设置四至五个螺旋桨直径值或螺旋桨转速值，通过人工计算并查取pBδ−图谱的方法，选定主机功率，这种方法不可避免的存在较大的人为误差。而软件编制中采用拉格朗日插值法、三次样条插值法，使可设置的螺旋桨直径值或螺旋桨转速值的数目大大增加，通过最小二乘法对原始pBδ−图谱进行曲线拟合，并通过数学插值的方法对曲线交点进行精确的定位，得出主机功率值，这样大大改善了主机选型的精确度。在终极匹配计算时，传统算法同样存在初步匹配计算遇到的误差问题，软件中通过数学插值和曲线拟合方法也使误差大为减小。提供技术分析，降低改造成本传统的设计方法没有即时的技术分析反馈，只有船舶试航后才能发现问题，这就使得设计效率很低，发现问题后的改造成本也很高。而轴系振动校中模块可对已有主推进设计方案进行一定技术层面上的分析和评价，对多个方案进行技术性能比较，从而确定最优的设计方案。4结论我国的船舶制造业迅猛发展，使我国船舶主推进系统设计效率低下和船舶配套技术开发能力严重滞后的现象日益凸显。本项目组利用VisualBasic程序语言开发了船舶主推进系统设计软件，根据某1