計算機編程實現船機槳匹配系統設計

摘 要：船舶作為一種重要交通工具，不僅承擔著人員與貨物的運輸工作，而且其安全性能高低直接關乎著人們的生命財產安全，船機槳匹配系統直接影響著船舶運行效率高低。因此，利用計算機編程技術對船機槳匹配系統進行合理設計至關重要。本文根據船機槳匹配的原理，利用MATLAB編程軟件對船機槳匹配系統各個功能模塊進行設計。

關鍵詞：計算機編程；MATLAB；船機槳匹配系統；設計

由于船機槳三者之間的螺旋槳馬力曲線、主機特性曲線和航速在不同螺旋槳轉速下都存在一定的對應關系，根據這一點利用計算機編程就可以實現船機槳匹配。

1 船機槳匹配的原理

根據船舶航行方式與特性曲線，結合相關理論，在船舶有效馬力與推馬力曲線兩者之間的平衡點處可以建立出對應的船舶螺旋槳轉速、航速、主機馬力值等相關參數之間的相互關系圖。該圖是船機槳匹配系統設計的核心與關鍵，也是船機槳匹配系統實現并投入運行的基本原理[ 1 ]。在船舶螺旋槳轉速一定的情況下，船舶有效馬力曲線與螺旋槳有效推馬力曲線兩條直線連接處的交點即為船舶航行過程中的平衡點。按照同樣的方法，將螺旋槳處于不同轉速下的有效推馬力曲線與船舶有效馬力曲線進行相連得到多個船舶的平衡點，將這些平衡點連接起來所得到的曲線即為船舶主機馬力需求曲線。利用該需求曲線可以求出船舶在該航速和這一航速達到平衡狀態下時船舶主機所需馬力值大小。

當各種曲線坐標原點位于重心時，可以得到船舶船機槳的運動方程：

（m+m11）

-（m+m22）vr=XH+XP+XR

（m+m22）

+（m+m11）ur=YH+YP+YR

（IZ+m66）

=NH+NP+NR

其中，m表示附加質量與附加質量靜矩，X、Y、N表示作用在船舶上的力和力矩，H、P、R分別代表船體、螺旋槳和船舵。

2 計算機編程船機槳匹配系統的設計

2.1 編程工具與軟件總體設計思路

為保證開發出的船機槳匹配系統性能良好、功能強大、切實可行，本系統決定采用當前工程領域應用最廣泛之一的MATLAB編程軟件來作為船機槳匹配系統開發工具。MATLAB軟件是一款針對可視化圖形處理和數據計算的一種計算機編程語言，其在工程領域的圖表分析、數據處理中發揮著巨大的作用，為工程數據的計算帶來了巨大的便利[ 2 ]。由該軟件開發出來的系統不僅運行環境開放、可擴展，而且具有強大的可視化功能和科學強大的數據計算能力。在MATLAB軟件中，提供有靈活的圖形處理機制，利用該機制和GUIDE工具從GUI組件編程與GUI界面設計兩部分來開發船機槳匹配系統。

船機槳匹配系統軟件設計與開發的具體思路為，利用船舶航行過程中所受阻力特性，主機選型及其工作特性，螺旋槳推進特性等各相關特性來對船機槳三者之間的配合特性進行分析，找出三者之間配合度最高的狀態，使船舶在航行過程中盡可能承受小的負荷。將這一查找過程即匹配利用計算機編程開發軟件來實現。

2.2 船機槳匹配系統設計

由于船舶內部結構和運動過程復雜，不僅涉及諸多物理學知識，而且計算量大，因而船機槳匹配系統設計需要包含多個功能模塊，通過每一部分功能的實現來實現整個系統的匹配作用。

船機槳初始匹配模塊設計。船機槳初始匹配模塊的設計，需要根據設計任務書對船舶航速要求計算出螺旋槳的螺距、效率與轉速等參數，最終確定出最佳螺旋槳，并計算出主機正常工作所需功率與轉速，以為主機選型提供必要依據。首先，將船舶設計最大航速等數據由系統自動調入到船機槳初始匹配模塊中，然后以手動方式將螺旋槳直徑、轉速，軸系傳送效率等數據輸入到該界面當中，借助系統提供的強大數據計算功能通過循環計算出船身效率和螺旋槳前進速度，求出螺旋槳直徑系數等相關參數，進而求出螺旋槳各項參數最佳值并輸出，完成初始匹配[ 3 ]。在船機槳初始匹配界面中，有計算、返回、進入繪圖界面3個觸控按鈕，19個靜態文本和42個可編輯文本。當輸入螺旋槳直徑、轉速等數據后，點擊計算按鈕，系統進行內部計算并將計算結果返回顯示在界面上。為保證匹配結果清晰準確的呈現在界面上，宜將匹配結果顯示界面單獨設計。點擊繪圖按鈕，系統根據上一步計算出的數據即可完成相應圖表的繪制。

船機槳終止匹配模塊設計。船機槳終止匹配設計主要是對初始設計的進一步優化設計，以確定出最終的螺旋槳。船機槳終止匹配界面也有計算、返回和進入繪圖界面三個按鈕，靜態文本與可編輯文本框有多個。在該界面中只有一個輸入量齒輪箱速比，其余均為系統計算后直接顯示值。輸入箱速比，點擊計算按鈕，與船機槳匹配相關的所有參數，如航速、螺旋槳進速等都會直接顯示在各個對應的文本框中。然后點擊繪圖按鈕，系統內部將會根據各個數值繪制出相應的圖表。

船舶航行特性計算界面設計。與其他操作界面相同，船舶航行特性計算界面同樣包含眾多文本框，有計算、返回和進入繪圖界面三個按鈕。首先，點擊計算按鈕，計算出各項數值，然后返回點擊進入繪制航行特性曲線圖按鈕。為保證系統繪制出的曲線圖清晰大方，將繪圖結果顯示界面設置成獨立界面，并設置自動生成船機槳匹配設計計算書功能，由系統以Excel表格形式完成這一計算書生成工作，最終實現船機槳匹配系統功能。

3 總結

關于利用計算機編程手段來實現船機槳匹配系統設計這一課題的研究，本文采用MATLAB可視化編程軟件來實現，通過利用該軟件強大的數據計算功能與靈活的圖形處理機制對復雜的船舶運動進行簡化，并對數據庫界面、螺旋槳淌水特性界面、船機槳匹配界面、船舶航行特性界面等的友好設計，最終實現了船機槳匹配系統。

總之，隨著計算機編程技術的不斷發展與成熟，船機槳匹配系統也需要與時俱進進行不斷更新和改進。

參考文獻：

[1] 秦業志.船舶吊艙式電力推進系統船機槳匹配研究[D].集美大學，2015.

[2] 劉瑩.船舶航速和航向控制及機槳匹配研究[D].哈爾濱工程大學，2009.

[3] 王藝真.基于導管槳和雙速比齒輪箱的拖網漁船機槳匹配軟件設計[D].浙江海洋學院，2014.

作者簡介：王雨農（1994-），男，內蒙古包頭人，專業或研究方向：計算機。