王建政，王艺真，张文平，刘利军，吴朝晖

（1. 哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001；2. 沪东重机有限公司，上海 200129；3. 浙江海洋学院，舟山 316000）

0 引 言

船机桨匹配设计问题贯穿船舶设计、制造、使用之全寿命管理过程。当前，各种商船的船机桨匹配设计多数仍采用传统的图谱设计法，最常用的仍然是荷兰楚思德B系列桨、日本MAU系列桨图谱[1]。随着计算机技术的飞速发展，许多科研院所致力于应用计算机进行船机桨匹配设计研究，并开发了一些船机桨匹配设计计算程序及软件[2]。然而，这些计算程序及软件某种程度上存在一定的局限性，如适用范围较窄、没有覆盖船机桨匹配设计问题的全过程等[3～5]。针对船机桨匹配图谱设计方法，运用MATLAB语言[6]，开发了一个船机桨匹配设计新软件，不但计算精度高，而且适用范围广，能覆盖船机桨匹配设计问题的全过程。

1 软件特点及其基本功能

为了保证船机桨匹配设计软件的计算精度和适用广度，所开发的软件具有以下几大特点及基本功能：1)构建了船舶数据库（船型包括：散货船、多用途远洋货船、小型驳船等）、主柴油机数据库（机型包括：MAN、中小型船用柴油机等）和螺旋桨数据库（桨型包括：荷兰B系列螺旋桨、日本MAU系列螺旋桨）；2) 构建了良好的人机交流界面，能进行船机桨匹配初始设计、船机桨匹配终结设计、螺旋桨空泡校核、螺旋桨强度校核、船舶系柱特性分析、船舶航行特性分析；3) 自动生成GUI形式和Excel形式的船机桨匹配设计计算书。

2 软件开发

2.1 软件入口界面

本软件界面众多，开发一个入口界面，让使用者更方便地找到船机桨匹配设计计算的源头。此后，只要按照提示，一步步点击按钮，就能轻松完成整个船机桨匹配设计计算。

2.2 船舶和螺旋桨数据库界面

应用Excel建立船舶数据库，可供软件自动调用，同时，可方便对船舶数据库进行扩展。

2.3 船机桨匹配初始设计界面

船机桨匹配初始设计是先根据设计任务书对船舶设计航速的要求设计出最适合的螺旋桨，再计算主机的转速和功率，并以此作为订购主机的依据。具体有如下两种途径：

1) 已知船舶航速V、船舶有效功率曲线，参照母型船的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的效率η0、转速n、螺距比 P / D和主机转速n、功率 Ps，并据此从主柴油机数据库中进行主机选型，从而确定主机。程序方框图如图2所示。

图1 软件总流程图

图2 船机桨匹配初始设计程序方框图

2) 已知船舶航速V、船舶有效功率曲线，根据选定的螺旋桨转速n，确定螺旋桨的效率η0、直径D、螺距比 P / D和主机转速n、功率 Ps，并据此从主柴油机数据库中进行主机选型，从而确定主机。

2)的计算原理与1)非常类似，只是其先假定一组螺旋桨直径 Dj(j=1 ,2...m)来进行计算，最后求出螺旋桨最佳直径D和主机转速n、功率 Ps。

2.4 主机数据库及主机选项界面

主机数据库同样应用Excel建立，并被软件自动调用。通过计算并输入功率储备（包含发动机储备、海况储备和螺旋桨轻桨储备），就可从主机库中进行主机选型并确定主机。

食用油的抗氧化剂检测方法。要想不断提升食用油的质量安全水平，我们应该严格按照相关要求落实食用油的检测工作，采取科学的方法延缓植物油氧化的速度，这样能够降低食用油的氧化反应速率。然而在实际生活中，不少企业为了追求经济效益，不惜添加一些物质催化食用油的氧化反应，从而提升食用油的生产效率，假如人们长期食用一些添加剂较多的食用油，就会引起一些身体疾病，严重的甚至给人体造成不可挽回的危害，最终也会影响企业的发展。到目前为止，食用油的检测方法主要有三种，即比色法、色谱法以及电化学法。

2.5 船机桨匹配终结设计界面

经过初始设计确定主机后，就要进行船机桨匹配终结设计，即进行优化设计并最终确定螺旋桨。具体程序如下：

已知主机转速n、功率Ps以及船舶有效功率曲线，确定螺旋桨最佳直径D、螺旋桨敞水效率η0、螺旋桨最佳螺距比 P / D和船舶所能达到的最高航速V等。船机桨匹配终结设计程序方框图如图3所示。

2.6 螺旋桨空泡校核界面

完成船机桨匹配终结设计后，需要对设计桨进行空泡校核，以便确定设计桨是否满足空泡要求。空泡校核方法很多，软件采用常用的柏利尔限界线，螺旋桨空泡校核程序方框图如图4所示。

如果AE/A0大，则满足空泡要求，可以继续进行下一步设计计算；如果AE/A0大，则不满足空泡要求，需要另选桨型重新进行船机桨匹配设计计算。

图3 船机桨匹配终结设计程序方框图

图4 螺旋桨空泡校核程序方框图

2.7 螺旋桨强度校核界面

螺旋桨强度校核程序方框图如图5所示。如果设计桨满足螺旋桨强度设计要求，则不需要进行螺距修正，直接进入螺旋桨敞水性征曲线计算及绘制界面，否则就必须进入螺旋桨螺距修正计算界面。

2.8 螺旋桨螺距修正计算界面

螺旋桨螺距修正程序方框图如图6所示。通过螺距修正后，将以修正后的螺旋桨螺距比进入螺旋桨敞水性征曲线计算及绘制界面，继续进行下一步优化设计。

2.9 螺旋桨敞水性征曲线计算及绘制界面

这时螺旋桨的盘面比、螺距比和桨叶数均已设计完毕，软件能够从上一界面自动调入并在此界面显示出来，同时绘制螺旋桨敞水性征曲线，也借此初步检验设计的准确度。

2.10 船舶系柱特性计算界面

船舶处于系柱状态时，船舶航速 V = 0 ，螺旋桨进速 J = 0 ，由螺旋桨敞水性征曲线可知，此时桨所发出的推力和转矩均达到最大值。程序方框图如图7所示。

2.11 船舶航行特性计算界面

船舶航行特性程序方框图如图8所示。为了更加直观明了的显示船舶航行特性计算结果，设计了一个船舶航行特性计算结果曲线图显示界面。至此，船机桨匹配设计基本完成。

2.12 自动生成船机桨匹配设计计算书

为了更加清楚地显示船机桨匹配设计结果，自动生成船机桨匹配设计计算书是非常必要的。为此，设计了一个显示船机桨匹配设计计算结果界面，同时具有自动生成Excel形式计算书的功能,便于存储和查阅。

图5 螺旋桨强度校核程序方框图

图6 螺旋桨螺距修正程序方框图

图7 船舶系柱特性计算程序图

图8 船舶航行特性程序方框图

3 船机桨匹配设计软件应用研究

3.1 B系列螺旋桨应用实例

以顶推船组200t机驳为例选用荷兰楚思德B系列螺旋桨对新开发的船机桨匹配设计软件进行应用研究，并借此验证计算软件的精度。

从生成的设计计算书（如图9所示）可以看出，200t机驳船压载航行时可达最大航速约为8.242kn，主机功率为108.657kW；110%超载航行时可达最大航速约为7.89kn，主机功率为112.77kW；满载航行，主机转速为1500r/min时，可达最大航速约为8.0624kn，主机功率为111kW。而满载时船舶的设计最大航速为8.099kn，选定的主机额定功率为113kW。由此可见，此软件所完成的船机桨匹配设计计算结果与船舶初始设计要求几乎一致，说明该软件对中小型船舶同样适用，计算精度较高。

图9 200t机驳船机桨匹配设计计算结论书

图10 某万吨级多用途船机桨匹配设计计算结论书

武汉理工大学刘海强在其硕士论文中运用C#语言编制了机桨匹配计算程序，并对上述同一例子进行了计算机辅助分析计算[4]，同时还对该例进行了人工查图手工计算。现将其进行船机桨匹配终结设计机算和手算的计算结果与本文所述软件的计算结果进行对比，如表1所示。

表1 200t机驳船机桨匹配终结设计计算结果对比

从表1的对比结果可以看出，3种方法针对200t机驳进行船机桨匹配终结设计计算结果是比较接近的，再次验证本软件的计算精度较高。

3.2 MAU系列螺旋桨应用实例

以教材《船舶原理》[7]所述例子某万吨级多用途远洋货船为例，选用日本运输技术研究所开发的MAU系列螺旋桨，对新开发的船机桨匹配设计软件进行应用研究，再次验证计算软件的精度。

从设计计算结论书（如图 10所示）可知，该船压载航行可达最大航速约为 16.5728kn，主机功率为5408.289kW；超载航行时可达最大航速约为 15.0768kn，主机功率为 5828.2638kW；满载航行时，主机以额定转速运转，可达最大航速约为15.4573kn，主机功率为5722.7kW。

华中科技大学张丽敏在其硕士论文[3]中运用 Visual basic 语言开发程序对此例也进行了计算机辅助设计计算，同时还进行了手工计算。现将其机算结果、手算结果、教材结果与本文所述软件计算结果进行对比，如表2所示。由表2可知，4种方法设计计算结果非常接近。

表2 设计结果对比

4 结 语

运用MATLAB 编程语言GUI工具开发的船机桨匹配设计软件，除了计算精度高，还具有以下几大特点：1) 使用起来特别方便，对使用者的专业水平要求低，只要输入几个常用的关键参数，就能很顺利地完成整个船机桨匹配设计；2) 适用范围广，从200t的小驳船到万吨级远洋货船均适用；3) 富有人性化的人机交流界面、丰富多彩的阶段结果显示图以及自动生成的设计计算书，使船机桨匹配设计过程倍感舒心，且结果一目了然。

[1] 朱珉虎. 内河船舶设计手册[M]. 北京：中国标准出版社，1992.

[2] 胡安康. 沪东（HD）型船舶螺旋桨的研究与开发[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2001.

[3] 张丽敏. 常规螺旋桨计算机辅助设计[D]. 武汉：华中科技大学，2004.

[4] 刘海强. 船机桨匹配设计与冷却系统优化研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2007.

[5] 胡 义，杨建国. 机桨匹配初步设计软件实现方法研究[J]. 船海工程，2008，37（3）：11-14.

[6] 罗华飞. MATLAB GUI设计学习手册(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[7] 盛振绑，刘应中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大学出版社，2004.