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關于船舶主推進系統設計軟件開發研究
引言
船舶主推進系統是船舶的主要動力系統，其設計的好壞將直接影響船舶的動力性、經濟性、可靠性、機動性和生命力等。船舶主推進系統主要由船舶主機、軸系、軸系附件、傳動設備和推進器（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系統必須滿足船舶對主動力系統的總功率、轉速及重量尺寸限制等基本要求。這里包含船型、排水量、航速等相關因素，減速齒輪箱、軸系及螺旋槳各自的效率因素，主動力系統功率儲備及工作環境的影響等因素。這使得船舶主推進系統的設計成為船舶設計中最為復雜的任務之一[1]。
國外主要船舶配套廠家，如MAN B&W 公司、Wartsila 公司等公司，根據船東的要求和船舶的基本參數，采用模塊化設計方法，提供主推進系統完整解決方案，由廠家集成制造出船舶主推進系統，使設計、制造、安裝調試和維修服務等集成化，大大提高了主推進系統的總體技術性能、可靠性和船舶的生命力。但目前國內這種完整的船機槳一體模塊化配套設計剛剛起步，大多船廠仍然是采取傳統的人工計算方法進行船舶主推進系統的設計，船舶配套水平及其技術開發能力嚴重滯后。因此，有必要進行船舶主推進系統集成設計技術的研究，解決主推進系統設計中的關鍵技術，為造船工業的發展提供保障。
本文以船舶柴油機推進動力系統為研究對象，實現船舶柴油機推進動力系統集成設計軟件的開發。
1 軟件設計思路
傳統設計方法是根據設計任務書中的技術要求以及船體設計所提供的資料, 通過初步匹配設計決定主機功率、螺旋槳最佳轉速或直徑，并選擇相適應的主機型號；再通過終結匹配設計確定所能達到的最高航速、螺旋槳直徑，螺距比及效率；然后進行相應的軸系設計。這種設計方法計算工作繁重, 需要查閱大量的圖表, 獲得很多的數據[2]。
隨著計算機技術的發展，計算機的功能越來越強大，充分發揮計算機的智能化，使船舶主推進系統設計模塊化是現代船舶設計的發展趨勢。本文選取船舶柴油機推進動力系統作為研究對象，對船舶主推進系統設計的進行研究，采用Microsoft Visual Basic 6.0 程序語言來實現計算機模塊化的主推進系統智能設計。
主推進系統的方案設計是一個經過一系列的預選方案生成并最后尋找滿足設計要求或各種功能的最優方案的過程。主推進系統設計軟件的設計思路如下（如圖1）：
1)綜合分析設計要求及船體的設計結果（包括船型、尺度、航速-阻力特性等），得出對主推進方案組成得各種約束條件。
2)根據由給出的航速要求及阻力特性得到的總功率要求，進行初步設計，計算出滿足要求的主機功率，按考慮儲備后的功率選擇合適的主機型號；對主機螺旋槳進行終結設計，計算出最優螺旋槳的的參數，并考慮機艙尺寸等限制因素，組成主推進裝置預先方案。
3)對待選方案進行優化選擇，尋找出滿足設計要求的最佳方案。
4)對優選得到的最佳方案給出其主要的性能分析計算結果。
2 軟件的實現
2.1 設計特點
在 windows XP 系統平臺上，采用面向對象的編程語言Microsoft Visual Basic 6.0 進行模塊化設計，并將Microsoft Access 2003 嵌入Visual Basic，建立數據庫通訊管理協調層及輪機設備數據庫。這種編程環境易于實現，增加了軟件的適用性。利用Visual Basic 編程，其代碼設計簡潔，交互式界面美觀、實用。
2.2 程序流程
程序流程如所示。
2.3 軟件主要模塊
軟件采用模塊化設計，這樣既降低了程序復雜度，使程序易于優化、擴展、修改、調試和維護等，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。因此系統各模塊既相互獨立，又相互聯系。用戶可進入各自模塊輸入相應計算參數得到計算結果，也可按照流程進行直至最后的軸系計算。
2.3.1 機槳匹配計算模塊
機槳匹配計算模塊可以進行機槳匹配初步設計，機槳匹配終結設計，繪制螺旋槳CAD圖。
根據船舶總體設計（船型、船舶航速、船舶阻力曲線等）對主推進系統的要求，建立船、機、槳之間的能量匹配關系，以系統綜合效率最大為目標，綜合考慮系統設計的各種需求，采用最優化設計方法，確定主推進系統的最優匹配形式，主機的最優功率、轉速、基本結構形式，螺旋槳的最優參數（槳型、槳徑、槳葉數、螺距比、盤面比等）。
在缺少船舶詳細資料的情況下，該模塊提供了海軍系數法和Ayre 法經驗公式，進行估算船舶阻力，獲得船舶有效功率，為主機選型了提供參考。
在機槳匹配終結設計后，軟件可根據得到的螺旋槳參數繪制螺旋槳CAD 圖所示。
2.3.2 后傳動設備選型模塊
后傳動設備選型模塊與輪機傳動設備數據庫相連，數據庫系統既可以單獨使用（如檢索、增刪、修改記錄等），也可通過通訊管理協調層實現與程序設計系統的數據交換。數據庫包括與動力裝置有關的參考數據庫（如已設計船舶資料庫）和動力裝置中各通用元部件的數據庫（包括船用柴油機庫、減速齒輪箱庫、聯軸節庫、離合器庫、材料性能庫等）。
根據機槳匹配計算模塊中得到的主機和螺旋槳參數，可進行高彈性聯軸器、船用齒輪箱等后傳動設備的選型。
2.3.3 軸系結構設計模塊
軸系結構設計模塊可進行軸頸計算，船體肋位參數設置，軸系結構布置和繪制主推進系統結構CAD 圖所示。
程序采用“海規”計算中間軸、推力軸、尾軸、螺旋槳軸等軸的軸徑，參照德國勞氏船級社推薦公式l ≤ 142 dz 和3min 24.9 z l ≥ d 計算軸承跨距范圍[3]，根據機艙實際情況進行軸系布置初步設計，初步強度校核計算，繪制軸系布置簡圖及主推進系統CAD 圖。
2.3.4 軸系振動校中模塊
軸系振動校中模塊可進行船舶軸系振動計算、校核計算、事故分析, 對選定的主推進系統方案進行初步技術評估，提高了船舶主推進軸系的設計效率，并對船舶運行的安全性有實際指導意義，有廣闊的應用前景[4]。
3 軟件的功能及特點
3.1 軟件的功能
該軟件可綜合分析設計要求及船體的設計結果，進行機槳匹配與主機選型計算，后傳動設備選型，軸系結構設計，軸系振動校中分析，對待選方案進行優化選擇，尋找出滿足設計要求的最佳方案并以報告的形式輸出。
輪機設備數據庫管理信息系統還可作為獨立的工具，進行設備的查詢和選型，還可實時添加、刪除和修改信息。
3.2 軟件的主要特點
3.2.1 主推進系統設計速度快
傳統設計方法的計算工作繁重, 需要查閱大量的圖表，獲得很多的數據，耗時長。隨著計算機技術的發展，計算機的計算速度越來越快，使主推進系統的設計可在幾分鐘內完成，大大加快了設計速度。此外，軟件具有出圖功能，可繪制螺旋槳和主推進系統的CAD 圖，這為后期的機艙布置圖的繪制節約了大量時間。
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系統設計可能遇到的所有情況：
1）主機和傳動設備均已選定，提供了船舶基本信息。用于船廠已經訂購了主機和齒輪箱的情況，這時只需進行軸系設計。
2）主機已選定，提供了船舶基本信息，船體設計部門提供了船舶有效功率曲線。用于船廠在購得主機后，通過終結匹配設計計算螺旋槳參數，進行螺旋槳設計，后傳動設備選型及軸系設計。
3）主機未選定，提供了船舶基本信息，船體設計部門提供了船舶有效功率曲線。用于船舶配套廠商船機槳一體配套設計，需要進行初步、終結匹配計算，螺旋槳設計，后傳動設備選型及軸系設計。
4）主機已選定，提供了船舶基本信息，船體設計部門未提供了船舶有效功率曲線。這種情況可根據給定主機選擇后傳動設備，進行軸系設計，但無法進行終結匹配計算，不能進行螺旋槳設計。
5）主機未選定，提供了船舶基本信息，船體設計部門只提供了設計航速船舶有效功率。
這種情況可進行初步匹配計算得到主機功率，進行主機、后傳動設備選型，軸系設計，但也無法進行螺旋槳設計。
6）只提供船型、航速、排水量、船舶主尺度等基本情況。這種情況出現在船東訂購船舶的初期，通過經驗公式估算主機功率來獲得船舶主推進系統的粗略信息，進行估價。
3.2.3 設計精度高
在初步匹配計算時，大多船廠傳統上采用設置四至五個螺旋槳直徑值或螺旋槳轉速值，通過人工計算并查取Bp ?δ 圖譜的方法，選定主機功率，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，使可設置的螺旋槳直徑值或螺旋槳轉速值的數目大大增加，通過最小二乘法對原始p B ?δ 圖譜進行曲線擬合，并通過數學插值的方法對曲線交點進行精確的定位，得出主機功率值，這樣大大改善了主機選型的精確度。
在終極匹配計算時，傳統算法同樣存在初步匹配計算遇到的誤差問題，軟件中通過數學插值和曲線擬合方法也使誤差大為減小。
3.2.4 提供技術分析，降低改造成本
傳統的設計方法沒有即時的技術分析反饋，只有船舶試航后才能發現問題，這就使得設計效率很低，發現問題后的改造成本也很高。而軸系振動校中模塊可對已有主推進設計方案進行一定技術層面上的分析和評價，對多個方案進行技術性能比較，從而確定最優的設計方案。
4 結論
我國的船舶制造業迅猛發展，使我國船舶主推進系統設計效率低下和船舶配套技術開發能力嚴重滯后的現象日益凸顯。本項目組利用Visual Basic 程序語言開發了船舶主推進系統設計軟件，根據某10000 噸級江海直達貨船的設計任務書進行了主推進系統設計并對方案進行了軸系振動等技術分析，最終設計方案受到了用戶的好評。
船舶主推進系統是由數量眾多、用途不同的機械和系統組成的統一體，它要提供船舶在正常營運或軍船在執行各種勤務時所需的各種動力，其性能影響并制約著船舶的整體性能。作為動力裝置主體的船舶主推進系統，其設計結果必對船舶的整體性能產生重大的影響。可見，船舶主推進系統集成設計技術的研究和軟件開發是十分有實用價值的。
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[參考文獻] (References)
[1] 吳曉平，汪玉. 艦船裝備系統綜合評估的理論與方法[M] . 北京：科學出版社，2007.
[2] 周瑞平. 海船主推進裝置計算機輔助設計軟件研究[J]. 交通與計算機，1999, 3 : 60～63.
[3] 輪機工程手冊編委會. 輪機工程手冊（下）[M]. 北京：人民交通出版社，1994.
[4] 周瑞平,楊建國,張升平. 船舶推進軸系扭轉振動應用軟件開發研究[J]. 武漢理工大學學報，2003，3: 69～72.
[5] 于洪亮，段樹林，陳剛. 船用主機的選型. 大連海事大學學報[J]，2004, 4: 23～26.
[6] 高春艷，劉彬彬. Visual Basic 開發技術大全[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.
[7] Diane Zak. Programming with Microsoft Visual Basic 6.0，Enhanced Edition[M]. 北京：電子工業出版社，2007.
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