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關(guān)于船舶主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)研究
引言
船舶主推進(jìn)系統(tǒng)是船舶的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響船舶的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、機(jī)動(dòng)性和生命力等。船舶主推進(jìn)系統(tǒng)主要由船舶主機(jī)、軸系、軸系附件、傳動(dòng)設(shè)備和推進(jìn)器（螺旋槳）組成。
為了使船舶的整體性能更好，各備選的船舶主推進(jìn)系統(tǒng)必須滿足船舶對(duì)主動(dòng)力系統(tǒng)的總功率、轉(zhuǎn)速及重量尺寸限制等基本要求。這里包含船型、排水量、航速等相關(guān)因素，減速齒輪箱、軸系及螺旋槳各自的效率因素，主動(dòng)力系統(tǒng)功率儲(chǔ)備及工作環(huán)境的影響等因素。這使得船舶主推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為船舶設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的任務(wù)之一[1]。
國外主要船舶配套廠家，如MAN B&W 公司、Wartsila 公司等公司，根據(jù)船東的要求和船舶的基本參數(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，提供主推進(jìn)系統(tǒng)完整解決方案，由廠家集成制造出船舶主推進(jìn)系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試和維修服務(wù)等集成化，大大提高了主推進(jìn)系統(tǒng)的總體技術(shù)性能、可靠性和船舶的生命力。但目前國內(nèi)這種完整的船機(jī)槳一體模塊化配套設(shè)計(jì)剛剛起步，大多船廠仍然是采取傳統(tǒng)的人工計(jì)算方法進(jìn)行船舶主推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，船舶配套水平及其技術(shù)開發(fā)能力嚴(yán)重滯后。因此，有必要進(jìn)行船舶主推進(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，解決主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，為造船工業(yè)的發(fā)展提供保障。
本文以船舶柴油機(jī)推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)。
1 軟件設(shè)計(jì)思路
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的技術(shù)要求以及船體設(shè)計(jì)所提供的資料, 通過初步匹配設(shè)計(jì)決定主機(jī)功率、螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速或直徑，并選擇相適應(yīng)的主機(jī)型號(hào)；再通過終結(jié)匹配設(shè)計(jì)確定所能達(dá)到的最高航速、螺旋槳直徑，螺距比及效率；然后進(jìn)行相應(yīng)的軸系設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法計(jì)算工作繁重, 需要查閱大量的圖表, 獲得很多的數(shù)據(jù)[2]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能化，使船舶主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。本文選取船舶柴油機(jī)推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)船舶主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)行研究，采用Microsoft Visual Basic 6.0 程序語言來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模塊化的主推進(jìn)系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)。
主推進(jìn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是一個(gè)經(jīng)過一系列的預(yù)選方案生成并最后尋找滿足設(shè)計(jì)要求或各種功能的最優(yōu)方案的過程。主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思路如下（如圖1）：
1)綜合分析設(shè)計(jì)要求及船體的設(shè)計(jì)結(jié)果（包括船型、尺度、航速-阻力特性等），得出對(duì)主推進(jìn)方案組成得各種約束條件。
2)根據(jù)由給出的航速要求及阻力特性得到的總功率要求，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，計(jì)算出滿足要求的主機(jī)功率，按考慮儲(chǔ)備后的功率選擇合適的主機(jī)型號(hào)；對(duì)主機(jī)螺旋槳進(jìn)行終結(jié)設(shè)計(jì)，計(jì)算出最優(yōu)螺旋槳的的參數(shù)，并考慮機(jī)艙尺寸等限制因素，組成主推進(jìn)裝置預(yù)先方案。
3)對(duì)待選方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，尋找出滿足設(shè)計(jì)要求的最佳方案。
4)對(duì)優(yōu)選得到的最佳方案給出其主要的性能分析計(jì)算結(jié)果。
2 軟件的實(shí)現(xiàn)
2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
在 windows XP 系統(tǒng)平臺(tái)上，采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Microsoft Visual Basic 6.0 進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并將Microsoft Access 2003 嵌入Visual Basic，建立數(shù)據(jù)庫通訊管理協(xié)調(diào)層及輪機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)庫。這種編程環(huán)境易于實(shí)現(xiàn)，增加了軟件的適用性。利用Visual Basic 編程，其代碼設(shè)計(jì)簡潔，交互式界面美觀、實(shí)用。
2.2 程序流程
程序流程如所示。
2.3 軟件主要模塊
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣既降低了程序復(fù)雜度，使程序易于優(yōu)化、擴(kuò)展、修改、調(diào)試和維護(hù)等，又可以使軟件功能分解，降低功能之間的耦合性，在一定程度上保持各自良好的性能。因此系統(tǒng)各模塊既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系。用戶可進(jìn)入各自模塊輸入相應(yīng)計(jì)算參數(shù)得到計(jì)算結(jié)果，也可按照流程進(jìn)行直至最后的軸系計(jì)算。
2.3.1 機(jī)槳匹配計(jì)算模塊
機(jī)槳匹配計(jì)算模塊可以進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)，機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)，繪制螺旋槳CAD圖。
根據(jù)船舶總體設(shè)計(jì)（船型、船舶航速、船舶阻力曲線等）對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)的要求，建立船、機(jī)、槳之間的能量匹配關(guān)系，以系統(tǒng)綜合效率最大為目標(biāo)，綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種需求，采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定主推進(jìn)系統(tǒng)的最優(yōu)匹配形式，主機(jī)的最優(yōu)功率、轉(zhuǎn)速、基本結(jié)構(gòu)形式，螺旋槳的最優(yōu)參數(shù)（槳型、槳徑、槳葉數(shù)、螺距比、盤面比等）。
在缺少船舶詳細(xì)資料的情況下，該模塊提供了海軍系數(shù)法和Ayre 法經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行估算船舶阻力，獲得船舶有效功率，為主機(jī)選型了提供參考。
在機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)后，軟件可根據(jù)得到的螺旋槳參數(shù)繪制螺旋槳CAD 圖所示。
2.3.2 后傳動(dòng)設(shè)備選型模塊
后傳動(dòng)設(shè)備選型模塊與輪機(jī)傳動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)庫相連，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既可以單獨(dú)使用（如檢索、增刪、修改記錄等），也可通過通訊管理協(xié)調(diào)層實(shí)現(xiàn)與程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)庫包括與動(dòng)力裝置有關(guān)的參考數(shù)據(jù)庫（如已設(shè)計(jì)船舶資料庫）和動(dòng)力裝置中各通用元部件的數(shù)據(jù)庫（包括船用柴油機(jī)庫、減速齒輪箱庫、聯(lián)軸節(jié)庫、離合器庫、材料性能庫等）。
根據(jù)機(jī)槳匹配計(jì)算模塊中得到的主機(jī)和螺旋槳參數(shù)，可進(jìn)行高彈性聯(lián)軸器、船用齒輪箱等后傳動(dòng)設(shè)備的選型。
2.3.3 軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊
軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊可進(jìn)行軸頸計(jì)算，船體肋位參數(shù)設(shè)置，軸系結(jié)構(gòu)布置和繪制主推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CAD 圖所示。
程序采用“海規(guī)”計(jì)算中間軸、推力軸、尾軸、螺旋槳軸等軸的軸徑，參照德國勞氏船級(jí)社推薦公式l ≤ 142 dz 和3min 24.9 z l ≥ d 計(jì)算軸承跨距范圍[3]，根據(jù)機(jī)艙實(shí)際情況進(jìn)行軸系布置初步設(shè)計(jì)，初步強(qiáng)度校核計(jì)算，繪制軸系布置簡圖及主推進(jìn)系統(tǒng)CAD 圖。
2.3.4 軸系振動(dòng)校中模塊
軸系振動(dòng)校中模塊可進(jìn)行船舶軸系振動(dòng)計(jì)算、校核計(jì)算、事故分析, 對(duì)選定的主推進(jìn)系統(tǒng)方案進(jìn)行初步技術(shù)評(píng)估，提高了船舶主推進(jìn)軸系的設(shè)計(jì)效率，并對(duì)船舶運(yùn)行的安全性有實(shí)際指導(dǎo)意義，有廣闊的應(yīng)用前景[4]。
3 軟件的功能及特點(diǎn)
3.1 軟件的功能
該軟件可綜合分析設(shè)計(jì)要求及船體的設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行機(jī)槳匹配與主機(jī)選型計(jì)算，后傳動(dòng)設(shè)備選型，軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸系振動(dòng)校中分析，對(duì)待選方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，尋找出滿足設(shè)計(jì)要求的最佳方案并以報(bào)告的形式輸出。
輪機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)還可作為獨(dú)立的工具，進(jìn)行設(shè)備的查詢和選型，還可實(shí)時(shí)添加、刪除和修改信息。
3.2 軟件的主要特點(diǎn)
3.2.1 主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)速度快
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算工作繁重, 需要查閱大量的圖表，獲得很多的數(shù)據(jù)，耗時(shí)長。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度越來越快，使主推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可在幾分鐘內(nèi)完成，大大加快了設(shè)計(jì)速度。此外，軟件具有出圖功能，可繪制螺旋槳和主推進(jìn)系統(tǒng)的CAD 圖，這為后期的機(jī)艙布置圖的繪制節(jié)約了大量時(shí)間。
3.2.2 軟件適用范圍廣
該軟件的適用范圍廣，基本可以滿足船舶主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能遇到的所有情況：
1）主機(jī)和傳動(dòng)設(shè)備均已選定，提供了船舶基本信息。用于船廠已經(jīng)訂購了主機(jī)和齒輪箱的情況，這時(shí)只需進(jìn)行軸系設(shè)計(jì)。
2）主機(jī)已選定，提供了船舶基本信息，船體設(shè)計(jì)部門提供了船舶有效功率曲線。用于船廠在購得主機(jī)后，通過終結(jié)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算螺旋槳參數(shù)，進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)，后傳動(dòng)設(shè)備選型及軸系設(shè)計(jì)。
3）主機(jī)未選定，提供了船舶基本信息，船體設(shè)計(jì)部門提供了船舶有效功率曲線。用于船舶配套廠商船機(jī)槳一體配套設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行初步、終結(jié)匹配計(jì)算，螺旋槳設(shè)計(jì)，后傳動(dòng)設(shè)備選型及軸系設(shè)計(jì)。
4）主機(jī)已選定，提供了船舶基本信息，船體設(shè)計(jì)部門未提供了船舶有效功率曲線。這種情況可根據(jù)給定主機(jī)選擇后傳動(dòng)設(shè)備，進(jìn)行軸系設(shè)計(jì)，但無法進(jìn)行終結(jié)匹配計(jì)算，不能進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)。
5）主機(jī)未選定，提供了船舶基本信息，船體設(shè)計(jì)部門只提供了設(shè)計(jì)航速船舶有效功率。
這種情況可進(jìn)行初步匹配計(jì)算得到主機(jī)功率，進(jìn)行主機(jī)、后傳動(dòng)設(shè)備選型，軸系設(shè)計(jì)，但也無法進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)。
6）只提供船型、航速、排水量、船舶主尺度等基本情況。這種情況出現(xiàn)在船東訂購船舶的初期，通過經(jīng)驗(yàn)公式估算主機(jī)功率來獲得船舶主推進(jìn)系統(tǒng)的粗略信息，進(jìn)行估價(jià)。
3.2.3 設(shè)計(jì)精度高
在初步匹配計(jì)算時(shí)，大多船廠傳統(tǒng)上采用設(shè)置四至五個(gè)螺旋槳直徑值或螺旋槳轉(zhuǎn)速值，通過人工計(jì)算并查取Bp ?δ 圖譜的方法，選定主機(jī)功率，這種方法不可避免的存在較大的人為誤差。而軟件編制中采用拉格朗日插值法、三次樣條插值法，使可設(shè)置的螺旋槳直徑值或螺旋槳轉(zhuǎn)速值的數(shù)目大大增加，通過最小二乘法對(duì)原始p B ?δ 圖譜進(jìn)行曲線擬合，并通過數(shù)學(xué)插值的方法對(duì)曲線交點(diǎn)進(jìn)行精確的定位，得出主機(jī)功率值，這樣大大改善了主機(jī)選型的精確度。
在終極匹配計(jì)算時(shí)，傳統(tǒng)算法同樣存在初步匹配計(jì)算遇到的誤差問題，軟件中通過數(shù)學(xué)插值和曲線擬合方法也使誤差大為減小。
3.2.4 提供技術(shù)分析，降低改造成本
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法沒有即時(shí)的技術(shù)分析反饋，只有船舶試航后才能發(fā)現(xiàn)問題，這就使得設(shè)計(jì)效率很低，發(fā)現(xiàn)問題后的改造成本也很高。而軸系振動(dòng)校中模塊可對(duì)已有主推進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一定技術(shù)層面上的分析和評(píng)價(jià)，對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)性能比較，從而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4 結(jié)論
我國的船舶制造業(yè)迅猛發(fā)展，使我國船舶主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率低下和船舶配套技術(shù)開發(fā)能力嚴(yán)重滯后的現(xiàn)象日益凸顯。本項(xiàng)目組利用Visual Basic 程序語言開發(fā)了船舶主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)某10000 噸級(jí)江海直達(dá)貨船的設(shè)計(jì)任務(wù)書進(jìn)行了主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并對(duì)方案進(jìn)行了軸系振動(dòng)等技術(shù)分析，最終設(shè)計(jì)方案受到了用戶的好評(píng)。
船舶主推進(jìn)系統(tǒng)是由數(shù)量眾多、用途不同的機(jī)械和系統(tǒng)組成的統(tǒng)一體，它要提供船舶在正常營運(yùn)或軍船在執(zhí)行各種勤務(wù)時(shí)所需的各種動(dòng)力，其性能影響并制約著船舶的整體性能。作為動(dòng)力裝置主體的船舶主推進(jìn)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)結(jié)果必對(duì)船舶的整體性能產(chǎn)生重大的影響�？梢姡爸魍七M(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)的研究和軟件開發(fā)是十分有實(shí)用價(jià)值的。
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