计算机编程实现船机桨匹配系统设计

摘 要：船舶作为一种重要交通工具，不仅承担着人员与货物的运输工作，而且其安全性能高低直接关乎着人们的生命财产安全，船机桨匹配系统直接影响着船舶运行效率高低。因此，利用计算机编程技术对船机桨匹配系统进行合理设计至关重要。本文根据船机桨匹配的原理，利用MATLAB编程软件对船机桨匹配系统各个功能模块进行设计。

关键词：计算机编程；MATLAB；船机桨匹配系统；设计

由于船机桨三者之间的螺旋桨马力曲线、主机特性曲线和航速在不同螺旋桨转速下都存在一定的对应关系，根据这一点利用计算机编程就可以实现船机桨匹配。

1 船机桨匹配的原理

根据船舶航行方式与特性曲线，结合相关理论，在船舶有效马力与推马力曲线两者之间的平衡点处可以建立出对应的船舶螺旋桨转速、航速、主机马力值等相关参数之间的相互关系图。该图是船机桨匹配系统设计的核心與关键，也是船机桨匹配系统实现并投入运行的基本原理[ 1 ]。在船舶螺旋桨转速一定的情况下，船舶有效马力曲线与螺旋桨有效推马力曲线两条直线连接处的交点即为船舶航行过程中的平衡点。按照同样的方法，将螺旋桨处于不同转速下的有效推马力曲线与船舶有效马力曲线进行相连得到多个船舶的平衡点，将这些平衡点连接起来所得到的曲线即为船舶主机马力需求曲线。利用该需求曲线可以求出船舶在该航速和这一航速达到平衡状态下时船舶主机所需马力值大小。

当各种曲线坐标原点位于重心时，可以得到船舶船机桨的运动方程：

（m+m11）

-（m+m22）vr=XH+XP+XR

（m+m22）

+（m+m11）ur=YH+YP+YR

（IZ+m66）

=NH+NP+NR

其中，m表示附加质量与附加质量静矩，X、Y、N表示作用在船舶上的力和力矩，H、P、R分别代表船体、螺旋桨和船舵。

2 计算机编程船机桨匹配系统的设计

2.1 编程工具与软件总体设计思路

为保证开发出的船机桨匹配系统性能良好、功能强大、切实可行，本系统决定采用当前工程领域应用最广泛之一的MATLAB编程软件来作为船机桨匹配系统开发工具。MATLAB软件是一款针对可视化图形处理和数据计算的一种计算机编程语言，其在工程领域的图表分析、数据处理中发挥着巨大的作用，为工程数据的计算带来了巨大的便利[ 2 ]。由该软件开发出来的系统不仅运行环境开放、可扩展，而且具有强大的可视化功能和科学强大的数据计算能力。在MATLAB软件中，提供有灵活的图形处理机制，利用该机制和GUIDE工具从GUI组件编程与GUI界面设计两部分来开发船机桨匹配系统。

船机桨匹配系统软件设计与开发的具体思路为，利用船舶航行过程中所受阻力特性，主机选型及其工作特性，螺旋桨推进特性等各相关特性来对船机桨三者之间的配合特性进行分析，找出三者之间配合度最高的状态，使船舶在航行过程中尽可能承受小的负荷。将这一查找过程即匹配利用计算机编程开发软件来实现。

2.2 船机桨匹配系统设计

由于船舶内部结构和运动过程复杂，不仅涉及诸多物理学知识，而且计算量大，因而船机桨匹配系统设计需要包含多个功能模块，通过每一部分功能的实现来实现整个系统的匹配作用。

船机桨初始匹配模块设计。船机桨初始匹配模块的设计，需要根据设计任务书对船舶航速要求计算出螺旋桨的螺距、效率与转速等参数，最终确定出最佳螺旋桨，并计算出主机正常工作所需功率与转速，以为主机选型提供必要依据。首先，将船舶设计最大航速等数据由系统自动调入到船机桨初始匹配模块中，然后以手动方式将螺旋桨直径、转速，轴系传送效率等数据输入到该界面当中，借助系统提供的强大数据计算功能通过循环计算出船身效率和螺旋桨前进速度，求出螺旋桨直径系数等相关参数，进而求出螺旋桨各项参数最佳值并输出，完成初始匹配[ 3 ]。在船机桨初始匹配界面中，有计算、返回、进入绘图界面3个触控按钮，19个静态文本和42个可编辑文本。当输入螺旋桨直径、转速等数据后，点击计算按钮，系统进行内部计算并将计算结果返回显示在界面上。为保证匹配结果清晰准确的呈现在界面上，宜将匹配结果显示界面单独设计。点击绘图按钮，系统根据上一步计算出的数据即可完成相应图表的绘制。

船机桨终止匹配模块设计。船机桨终止匹配设计主要是对初始设计的进一步优化设计，以确定出最终的螺旋桨。船机桨终止匹配界面也有计算、返回和进入绘图界面三个按钮，静态文本与可编辑文本框有多个。在该界面中只有一个输入量齿轮箱速比，其余均为系统计算后直接显示值。输入箱速比，点击计算按钮，与船机桨匹配相关的所有参数，如航速、螺旋桨进速等都会直接显示在各个对应的文本框中。然后点击绘图按钮，系统内部将会根据各个数值绘制出相应的图表。

船舶航行特性计算界面设计。与其他操作界面相同，船舶航行特性计算界面同样包含众多文本框，有计算、返回和进入绘图界面三个按钮。首先，点击计算按钮，计算出各项数值，然后返回点击进入绘制航行特性曲线图按钮。为保证系统绘制出的曲线图清晰大方，将绘图结果显示界面设置成独立界面，并设置自动生成船机桨匹配设计计算书功能，由系统以Excel表格形式完成这一计算书生成工作，最终实现船机桨匹配系统功能。

3 总结

关于利用计算机编程手段来实现船机桨匹配系统设计这一课题的研究，本文采用MATLAB可视化编程软件来实现，通过利用该软件强大的数据计算功能与灵活的图形处理机制对复杂的船舶运动进行简化，并对数据库界面、螺旋桨淌水特性界面、船机桨匹配界面、船舶航行特性界面等的友好设计，最终实现了船机桨匹配系统。

总之，随着计算机编程技术的不断发展与成熟，船机桨匹配系统也需要与时俱进进行不断更新和改进。

参考文献：

[1] 秦业志.船舶吊舱式电力推进系统船机桨匹配研究[D].集美大学，2015.

[2] 刘莹.船舶航速和航向控制及机桨匹配研究[D].哈尔滨工程大学，2009.

[3] 王艺真.基于导管桨和双速比齿轮箱的拖网渔船机桨匹配软件设计[D].浙江海洋学院，2014.

作者简介：王雨农（1994-），男，内蒙古包头人，专业或研究方向：计算机。