基于B/S模式的船舶机桨匹配远程计算平台设计

杨琨，舒佳成

(武汉理工大学 能源与动力工程学院 可靠性工程研究所，武汉 430063)

基于B/S模式的船舶机桨匹配远程计算平台设计

杨琨，舒佳成

(武汉理工大学 能源与动力工程学院 可靠性工程研究所，武汉 430063)

针对船舶机桨匹配计算软件基于单机操作和缺乏远程协同作业支持等问题，在分析回归系数法基础上，采用MATLAB与C#混合编程的方法实现基于B/S模式的船舶机桨匹配远程计算平台，通过互联网访问进入该平台并进行匹配计算，采用文献数据作为实验数据输入本平台，将计算结果与文献结果对比。结果表明，该平台计算结果与文献结果吻合，计算误差处于工程容忍范围之内，验证了平台计算结果的正确性。

回归系数法;匹配计算;C#;MATLAB

目前，网络中B/S模式在船舶行业中的应用已经成为研究热点，学者对船舶与B/S模式结合的应用研究主要集中在以下几个方面：①管理类系统的研究，如B/S模式的船舶企业文档管理系统的研究与设计[1-2]；②监控类平台的研究，如将船舶机舱采集到的数据以一定的方式发送的岸端服务器，运用网络技术将采集的数据以友好的方式显示给用户，实现B/S模式的远程监控系统[3-5]。这些研究提高了船舶行业的管理水平，给船舶行业带来巨大的效益。但是网络技术在船舶设计行业中的研究还只是刚刚起步，船舶机桨匹配是船舶设计中的重要一环，一般是在初步完成船舶型线设计或确定有效功率后进行。目前绝大多数的船舶机桨匹配计算软件都是通过MATLAB编制相应的软件实现匹配计算[6-11],所编制船舶机桨匹配软件能够快速准确进行计算。但是这些软件都是单机版，且这些计算软件仅安装在设计公司内部系统中，当设计人员不在公司期间，需要进行船舶机桨匹配计算工作时，这种单机版的匹配计算软件就不能满足该需求。为此，基于B/S模式，建立船舶机桨匹配计算平台，为该问题的解决提供一种新思路。

1 船舶机桨匹配原理

船舶机桨匹配设计分为初步匹配和终级匹配。初级匹配是在一定转速范围内，在机桨功率相等或是近似相等的情况下求得不同转速下对应的桨参数，此时效率最大时的桨与主机即为所求。终级匹配是在初级匹配选定主机后进行的，根据主机的功率与转速，传动设备与轴系传送效率ηs，计算得到桨收到的功率Pd、桨的效率ηo，船身效率η1等；根据这些参数，计算出船能达到的航速和螺旋桨的直径D、螺距比P/D和螺旋桨效率η等。终级匹配完成后需要进行空泡校核，空泡校核通过完成机桨匹配。设计一般采用图谱匹配法[7-11]和回归系数法。本文介绍利用回归系数法进行机桨匹配计算的方法。

1.1 初级匹配分类

机桨初步匹配一般有2种情况。

1)已知螺旋桨直径D、船的航速Vs、有效功率Pe，在合适的转速范围内，令机桨功率匹配，确定螺旋桨的最佳转速n、螺距比P/D、主机功率Pb及敞水效率ηo。

2)已知螺旋桨转速n、航速V、有效功率Pe，在合适的转速范围内，令机桨功率匹配，确定出螺旋桨最佳直径D、螺距比P/D、主机功率Pb及敞水效率ηo。

在通常的匹配设计过程中，第一种情况更为普遍，本文针对B型桨以第一种情况为例进行研究。

1.2 初级匹配方法

回归系数法是在敞水特征曲线(见图1)被回归为多项式形式的基础上，引入代表设计船舶螺旋桨推进特性的转矩系数曲线kt来进行匹配计算的一种方法。其中kt的推导过程如下。

(1)

(2)

由式(1)、式(2)得到

(3)

(4)

根据进速系数J的不同，可画出推力系数kt的曲线kt。kt抛物线与敞水特性图谱中kt线相交即为船机桨匹配点(见图2)，通过匹配点对应的进速系数J，即可求出kt、kq值。再根据kt、kq和J即可求出其他需要的参数。图3为具体的求解流程图。

1.3 终级匹配方法

终级匹配计算的基本思路是在一定航速范围内，令机桨功率匹配，求得各航速对应的最优桨的参数，必然存在某一航速，如果大于该航速，不能找到机桨匹配点，则该点即为所求。终级匹配采用回归系数匹配法时，在假定一系列航速情况下，可以转换为初级匹配问题。终级匹配求解的具体流程图见图4。

1.4 螺旋桨的空泡校核计算

设计的螺旋桨桨叶一旦出现空泡，可能导致桨叶面材料剥蚀或是螺旋桨性能恶化，因此避免空泡现象的出现成为螺旋桨设计需要考虑的一个重要环节。螺旋桨空泡校核常采用柏利尔限界线和高恩限界线。高恩限界线是针对高恩螺旋桨系列进行空泡校核的，而柏利尔限界线是根据各类船舶螺旋桨统计资料提出的，使用范围更广。本文针对B型桨进行研究，因此采用柏利尔限界线进行校核[12]。具体的校核流程见图5。

2 计算平台程序设计

2.1 C#与MATLAB的混合编程

本平台采用C#与MATLAB混合编程方式实现船机桨的匹配计算。MATLAB有强大的计算和绘图功能，本平台利用MATLAB的这一特点，实现匹配图中曲线的计算和绘制，并以输出数组和二进制图形数据的形式供给C#调用。根据图3、4、5所示的流程，在MATLAB中编写匹配和校核的.m文件，通过MATLAB的MATLAB Compiler工具将.m文件生成DLL文件供给C#调用。

C#在调用MATLAB生成的DLL文件之前，需要添加对MWArray.dll的引用，添加的MWArray.dll的作用主要是将调用时数据类型转换为MATLAB能够识别的数据类型。C#和MATLAB应用部署时，需要MCR(MATLAB Compiler Runtime)支持，其版本根据开发时所用的MATLAB的版本信息而定[13]。

2.2 基于B/S模式的交互框架设计

B/S模式下，用户通过浏览器向远程或是本地服务器发送HTTP请求，服务器收到请求后，对不同请求进行相应处理，处理完毕后，将处理的结果返回到浏览器。本文计算平台B/S模式部署结构见图6[14]。

2.3 计算平台功能结构

本平台基于B/S模式，在平台的各个环节加入数据传递模块，即用户可以将输入数据和结果数据保存在远程数据库中，以便其他设计者共享。在具备基本匹配计算的基础上，为了方便计算数据的导出，采用OLE嵌入Office,以各种不同格式输出计算结果。平台结构见图7。

3 算例实验结果分析

将本平台部署到远程服务器后，在浏览器中输入部署的网址，进入到本平台的登陆系统，输入用户名和密码，通过身份验证后进入到船舶机桨匹配计算平台，就可以开始进行船舶机桨匹配计算。

3.1 机桨初级匹配计算校验

输入初级匹配必要参数进行机桨初级匹配计算。船机桨初级匹配计算结果如图8所示,该结果(见表1)与文献[15]中实际设计初级匹配设计结果(见表2)基本吻合，其误差在工程可接受范围内，因此该设计符合要求。

P/DJktkqηo0.90.65100.16010.02590.63581.00.70470.18770.03240.64871.10.75570.21580.03980.65121.20.80420.24440.04820.6486

表2 文献中初级匹配结果

3.2 机桨终级匹配计算校验

终级匹配算例采用文献[16]中的数据，将文献中单位转换为标准单位后输入，其计算结果如图9所示：与文献结果比较，基本吻合，验证初级匹配程序正确。

表3 终级匹配计算结果

3.3 空泡校核计算校验

空泡校核参数来源为文献[12]，输入文献中参数，即可获取如图10所示空泡校核结果，计算得到所需的盘面比为0.647，与文献中0.642基本吻合，从而验证了空泡校核程序的正确性。

4 结论

通过远程访问进入本平台，利用本平台计算得出初级匹配、终级匹配以及空泡校核计算结果。通过本平台计算结果与文献给出的结果的比较可知，本平台计算结果与文献给出的结果非常接近，验证了本平台的正确性，同时说明了远程匹配设计计算的可行性，较好地解决了单机版机桨匹配计算软件存在的问题。

因此本文仅研究B型桨的机桨匹配问题，所以本平台只适用于B型桨的机桨匹配问题。要实现本平台的通用性，还需要研究其他类型桨的机桨匹配方法，并将各种类型桨的机桨匹配算法集成到本平台中，实现一个通用的机桨匹配平台，其应用的方法与本文所述方法具有一致性。本文研究内容为进一步深化远程机桨匹配计算和未来智能机舱等技术的发展提供了技术基础。

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The Calculation Platform for Matching of Screw Propeller and Diesel Engine Based on B/S Model

YANG Kun, SHU Jia-cheng

(Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The matching software of screw propeller and diesel engine is usually based on stand-alone operation and lack the support for remote synergetic work. To overcome this problem, after examining the coefficient of regression method, the MATLAB was used combined with C# to realize the remote calculation platform based on B/S model. Through the internet access into the calculation platform, using the literature data as the experiment data input of the platform. It was shown that the calculated results of the platform were in agreement with the literature results, and the calculation error was within the tolerance range of the project, proving the correctness of the platform.

regression coefficient; matching computation; C#; MATLAB

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.035

2016-05-05

国家自然科学基金青年基金(51309185)

杨琨(1981—)，男，博士，副教授

U664.33

A

1671-7953(2017)02-0148-05

修回日期：2016-06-29

研究方向:船舶轴系状态监测与诊断