船模阻力虚拟试验教学系统开发研究

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(大连理工大学 a.船舶工程学院;b.继续教育学院，辽宁 大连 116023)

1 船模阻力试验

船模阻力试验是将实船按一定的缩尺比制成几何相似的船模，在弗劳德数Fr相等的条件下，在船池中拖曳以测得船模阻力与速度之间的关系[1]。

船模阻力试验中的试验模型由拖车拖曳。船模速度(拖车速度)Vm按照如下公式确定。

(1)

式中：Vs——实船航速；

λ——实船与船模缩尺比。

试验中，按预先换算好船模速度启动拖车，当拖车达到给定速度且稳速时，进行阻力数据采集。阻力测量是采用专用的阻力仪，阻力仪输出信号，由动态信号测试分析系统将信号滤波、放大和A/D转换，由计算机进行数据采集。将采集的阻力曲线回放，截取平稳的一段，读取平均值(电压值)，再乘以设备的标定系数，便可以得到相应航速下的阻力值。通常1个工况要测约15个试验点,得到阻力和速度的关系曲线，进行实船有效功率预报。

2 阻力虚拟试验概述

阻力虚拟试验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟真实船模阻力试验的计算机教学软件,采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境。试验平台见图1。

图1 模拟试验界面

试验开始之前，首先选定船型，随之船模阻力虚拟试验平台上会显示出选中船模图片和船型参数。点击“开始试验”铵钮，进行试验拖车加速度与试验速度的设置，然后点击“确定参数”。 “开动拖车”，试验观测窗口会播放选中船型相应速度下阻力试验视频，学生可以清楚地看到船模运动状态及波形；点击“开始采集”，数据采集界面显示采集过程中的阻力曲线，同时数据表中显示采集阻力数据。点击“停止采集”，停止数据采集；点击“停止拖车”铵钮，结束该速度下阻力试验，并计算和保存采集阻力数据平均值。重复上述过程，直到全部试验完成，生成完整的阻力曲线。点击 “更换船型”铵钮，可以继续进行其它船模的阻力试验。

3 虚拟试验功能实现

系统开发是基于Visual Basic[2]开发环境，采用CommandButton，Label，Textbox，Image，PictureBox，ListView，WindowsMediaPlayer，TabStrip，Slider，Frame等控件，界面紧凑，直观，易于辨识。系统共由7个模块组成。

3.1 船型选择模块

选择了6条试验模型，主尺度及试验条件见表1。

表1 6条船模试验的主尺度及试验条件

为了实现这些功能，船型选择模块采用了OptionButton控件(单选铵扭)，对应6条试验模型，选用了6个单选铵扭构成一组，即OptionX(X为1～6)。利用OptionButton控件特点，使6条船型选择上即相关又互斥[3]。学生一旦选择某船模，该船模以特定颜色被激活，系统就会输出与船模相应的所有信息，包括船型的外型图片、试验图片、船型主要参数、试验速度范围和船模视频资料等。

3.2 人机交互模块

本模块是模拟拖车速度和加速度给定,加速度大小决定了拖车启动快慢，通常在高速时，选择大加速度，以获得长的测量段。

本模块输入拖车速度和拖车起动加速度，采用了Slider控件和Textbox控件，即有两种输入方式，滑动输入和文本输入。两种输入方式，滑动指示和文本显示均同时响应。

每种船型都对应有一定试验航速范围。所以在滑动条最左端显示选中船模试验最低速度，最右端显示了试验最高速度。如果学生输入的速度超出了试验速度范围，MessageBox对话框会给予提示，并等待重新输入。

3.3 试验控制模块

本模块主要模拟试验设备操作，包括开动拖车，用拖车拖曳船模(视频)。程序编写上主要选用CommandButton控件，包括：“开始试验”、“确定参数”、“开动拖车”、“停止拖车”、“开始采集”、“停止采集”和“更换船模”等命令铵钮。

3.4 试验数据拟合模块

为了通过有限的模型真实试验点数据给出任意速度情况下的模型阻力，对这些真实数据点采用拟合的方法给出每个船模的速度-阻力曲线关系，然后利用该函数求得对应速度下的船模阻力。

通过对实验数据的考察，在实验速度范围内模型实测阻力Rm与船速之间的关系采用三次多项式进行拟合[4]。

(1)

式中：Vm——模型速度；

b0、b1、b2、b3——各项系数，拟合结果见表2。

表2中标准差表征了数据的离散程度，R2为样本的测定系数，该值介于0～1之间，越接近于1说明函数的拟合程度越高。

拟合结果以及模型实验结果见图2～7。

3.5 实时数据采集模块

本模块主要功能是模拟阻力仪输出信号，由动态信号测试分析系统，对信号进行滤波、放大和A/D转换，由计算机进行数据采集并实时显示试验数据曲线。本模块由两部分组成，试验实时显示采集阻力曲线和实验采集数据。

在船模阻力试验实测初始时，拖车加速启动，阻力急骤上升，随着拖车速度超调，阻力也超过了给定速度下的阻力值。

本系统选择的船模其阻力成分主要是摩擦阻力Rf，根据光滑平板紊流摩擦阻力计算。

(2)

表2 系数拟合结果

图2 500 t渔政船

图3 75 m金枪鱼围网船

图4 37 m专业捕虾船

式中：ρ——流体密度；

u——速度；

Cf——摩擦阻力系数。

Cf采用1957ITTC公式计算。

(3)

图5 散货船

图6 玻璃钢渔船A

图7 玻璃钢渔船B

按上述公式，模拟拖车启动过程，做出平滑加速段曲线。加速段最大阻力值比理论值上调10%，加速过程时间取决于给定拖车加速度和试验速度。

当速度回到给定速度值时，阻力值受多种因素影响在一个恒定值附近波动。所以在匀速段阻力试验曲线增加白噪声曲线。实测船模阻力实时采集曲线如图8，船模阻力虚拟试验实时采集曲线如图9。

图8 实测船模阻力实时采集曲线

图9 模拟船模阻力实时采集曲线

本模块在同一画面上可以交替显示实时数据采集曲线和速度-阻力曲线，且带有记忆功能。

3.6 试验视频模块

船模阻力试验，不仅要获得阻力数据，而且要观测船体浮态及时周围的流动现象，如船模在运动过程中兴起波浪，船艏的波峰、船艉的波谷和船尾旋转涡等。

在虚拟试验中，系统采用播放试验视频来替代真实的船模运动。本模块视频全部采用大连理工大学船舶试验水池模型试验录像，保证试验的准确与真实。针对阻力试验的不同航速，采用了相应试验录像。视频文件为.mpg格式，采用循环播放方式。视频在播放时增加了视频最大化的功能，使学生能更清楚地观测到船模航行时状态。

3.7 数据及文件管理模块

本模块是模拟一次(或全部)试验结束后，读出试验数据，并将试验数据画出速度-阻力曲线，保存试验数据文件功能。

在实际试验中，经常会出现测量误差较大的试验点，需要删除，并重新进行试验。因此本模块具有人工“删除” 和依据试验速度大小自动排序功能。

试验数据结果可以点击“保存数据”铵钮，弹出保存数据界面。保存文件以.txt文件格式。

4 结论

1)船舶阻力虚拟试验虽然不能完全代替真实试验，但是它却很接近真实试验。在虚拟阻力试验中，学生完全可以把自己置身于试验之中，一对一地进行，选择自已感兴趣的船型进行试验，也可选择多种船型进行比较试验，有助于对知识的理解。

2)本系统具有良好的可维护性、扩展性，可以不断更新船型，这对于把学生带入造船领域前沿将起到积极的作用[5-6]。

3)船模阻力虚拟试验教学系统，不仅可以做为网络教学资源，也可以成为传统教学实验辅助手段。

[1] 伊绍琳.船舶阻力[M].北京：国防工业出版社，1985.

[2] 李玉林，马 军，王 岩.零基础学Visual Basic + SQL Server[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3] 王汉新.Visual Basic程序设计船舶阻力[M].北京：科学出版社，2002.

[4] 王言英.船舶试验数据的回归分析[J].大连工学院学报，1980(13):101-114.

[5] 倪少玲，王少新.船舶阻力教学实验的计算机模拟与仿真[J].实验技术与管理，2003(6)：41-44.

[6] 倪少玲，宗 智，李海涛，等.重视实验教学提升学生创新能力[J].船海工程，2011(40)：78-81.