基于阻力图谱的船舶快速性教学系统开发_宋磊.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 035基于阻力图谱的船舶快速性教学系统开发宋磊a，b，c，高华a，孙江龙a，b，c，刘曾a，b，c(华中科技大学 a 船舶与海洋工程学院;b 船舶数据技术与支撑软件湖北省工程研究中心;c 船舶和海洋工程水动力湖北省重点实验室，武汉 430074)摘要:以 V 形高速艇为研究对象，在船长固定基础上，改变船宽(3 组)、斜升角(3组)、排水量(3 组)和静倾角(2 组)，得到 54 组不同工况，选择合适缩尺比加工模型，完成船模阻力试验并按照二因次换算法得到实船有效功率，通过线型插值得到以该艇为母型船的阻力图谱。学生自主输入船型参数后通过阻力图谱获取有效功率，输入推力减额、伴流分数、相对旋转效率、传动效率等参数，选定主机功率和额定转速后预估设计航速并完成螺旋桨设计，得到螺旋桨直径、盘面比和螺距比等参数。以 VB 语言为工具对 AutoCAD 进行二次开发，完成螺旋桨叶剖面参数表和桨叶轮廓形状图绘制。该基于阻力图谱的船舶快速性教学系统将阻力性能、推进性能、船机桨匹配等知识点有机融合，作为课堂教学的辅助软件，可促进学生对船舶设计知识体系的理解，提升学生的思考能力和创新能力。关键词:V 形艇;阻力图谱;螺旋桨设计;实验教学中图分类号:U 661文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0183 05Development of Ship s Speedy Teaching System Based on Atlas DesignSONG Leia，b，c，GAO Huaa，SUN Jianglonga，b，c，LIU Zenga，b，c(a School of Naval Architecture and Ocean Engineering;b Hubei Provincial Engineering esearch Center ofData Techniques and Supporting Software for Ships;c Hubei Key Laboratory of Naval Architecture Ocean Engineering Hydrodynamics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract:Taking the V-shaped high-speed craft as the research object，on the basis of the fixed length of the ship，thewidth(3 groups)，the slope angle(3 groups)，the displacement(3 groups)and the static inclination angle(2 groups)are changed to obtain 54 groups of different states The model is chosen and processed with an appropriate scale ratio，the ship model resistance test is completed，and the effective power of the actual ship is obtained according to the 2-dimensional conversion algorithm，and the resistance map of the ship as the parent ship is obtained through linearinterpolation After students input the ship type parameters independently，they can obtain the effective power throughthe resistance map After selecting the main engine power and rated speed，the design speed is estimated and thepropeller design is completed to obtain the propeller We use VB language as a tool to carry out the secondarydevelopment of AutoCAD，and complete the drawing of the parameter table of the propeller blade profile and the shape ofthe blade profile The V-boat in this teaching system is the research object，which organically integrates knowledgepoints such as“resistance performance-propulsion performance-ship-machine-propeller matching”As an auxiliarysoftware for classroom teaching，it can promote studentsunderstanding of the ship design knowledge system andimprove studentsthinking ability and innovation abilityKey words:V-boat;resistance map;propeller design;experimental teaching收稿日期:2021-12-21基金项目:国家自然科学基金面上项目(12072126)作者简介:宋磊(1991 )，男，湖北武汉人，硕士，实验师，主要从事船舶实验技术研究。Tel:[phone];E-mail:song_lei hust edu cn第 41 卷0引言船舶线型设计是一个系统工程，既需要考虑静稳性和快速性，也需要考虑操纵性和耐波性，其中快速性能是最核心性能，直接影响船舶的实用性和经济性。快速性主要包含阻力性能和推进性能两部分，该部分内容为船舶专业核心课程船舶原理课程中重要组成部分1，共有船舶阻力和船舶推进两大章节，约 48 学时课程，快速性知识的学习尤为重要，无论是后续深造和从事相关工作都需要理解并掌握2。V 形艇的特征是所有横剖面都呈 V 形，其航行速度较快，被广泛用于无人艇、军用舰船、游船、公务船等特种船舶3-4。V 形艇由于其剖面特征，可用带有斜升角 的滑行平板近似处理，依次完成面升力和纵倾角的计算，进一步对纵倾角做非棱形修正后完成阻力估算5;其船型的伴流分数、推力减额等自航因子也相对容易估算，便于对已有数据进行线性插值完成图谱绘制。为了实现学生对阻力性能、推进性能、船机桨匹配知识脉络的系统学习与掌握，设计了船舶快速性教学系统。系统基于 V 形艇模型试验获取阻力图谱数据库，对推进因子进行选定后预估设计航速，完成螺旋桨主要参数计算，对照螺旋桨图谱基于 VB 语言进行AutoCAD 二次开发，完成螺旋桨出图绘制6。该教学系统基于模型试验数据设计，实用性强，界面简洁交互性强，作为课堂教学的辅助软件可激发学生思考能力7，增进知识理解，对提升学生创新能力有积极作用。1阻力图谱设计1.1图谱研究对象选用 V 形艇船长 26.79 m，船宽分别为 4.58 m、5.42 m 和 6.63 m。该艇(见图 1)具有尖舭型船首，所有横剖面均呈 V 形，首部较尖，斜升角较大8，其角度不断减小平滑过渡到船中，船中横向斜升角(13、16、20)，并向船尾不断减小过渡，直至船尾趋近于零。图 1V 形艇线型图表 1 所示为船宽 4.58 m 的船型参数，斜升角分别为 13、16和20，每个斜升角下分别有45 t、55 t 和65t 3 个吃水，每个吃水分别有 0和 0.5(尾倾)的静倾角。表 2 和表 3 所示分别为船宽 5.42 m 和 6.63 m 的船型参数，每个船宽分别包含与表 1 类似的斜升角、排表 1船宽 B=4.58 m 船型参数船宽B/m斜升角/()排水量/t吃水d/m水线长Lwl/m湿面积S/m245813450 83025 041048550 94025 211113651 04725 38117016450 90625 001035551 01625 201099651 12425 40115820450 98724 951023551 09925 191086651 20824 421149水量、静倾角工况组合。3 组船宽、3 组斜升角、3 组排水量和两组静倾角共组合成 54 组工况，每组工况航速范围为 15 39 kn(1 kn=1 852 km/h)，航行傅氏数Fn 范围为 1.229 3.194。表 2船宽 B=5 42 m 船型参数船宽B/m斜升角/()排水量/t吃水d/m水线长Lwl/m湿面积S/m2542135008462506116262096125241231741073254212921650093025051147621046252612157411592546127920501020250211296211382527120274125225511268481第 12 期宋磊，等:基于阻力图谱的船舶快速性教学系统开发表 3船宽 B=6 63 m 船型参数船宽B/m斜升角/()排水量/t吃水d/m水线长Lwl/m湿面积S/m266313500 86525 091319620 98625 281397741 10425 46146916500 96325 111300621 08625 331382741 20425 54145420501 06725 121265621 19325 391359741 31425 6314361.2试验原理及方法试验过程如图 2 所示，测试装置包含试验模型、夹持装置、导航杆和阻力传感器。其中模型排水量和姿态调整完成后通过前后导航杆来保证航向，夹持装置在拖车启动和停止时夹紧模型，起到保护钢丝绳和传感器的作用。阻力仪一端固定于拖车上，另一端连接钢丝绳，钢丝绳通过两个导轮转向后与模型连接，连接点高度处于模型的重心处或者桨轴延长线上9。试验过程中模型在拖车的牵引下以设定航速航行，夹持装置松开，导航杆为轴承式套筒设计，其对阻力影响可忽略，此时钢丝绳上拉力与模型阻力相等，阻力传感器上可直接实现对钢丝绳拉力测量。图 2船模试验示意由模型阻力换算至实船有效功率时采用傅汝德法(Froude s Method)10，将船模阻力 t分为摩擦阻力f和剩余阻力 r，无因次化后即船模阻力系数 Ct分为摩擦阻力系数 Cf和剩余阻力系数 Cr，傅汝德法认为实船和模型剩余阻力系数相等，摩擦阻力系数计算采用 1957-ITTC 公式，其表达式为:Cf=0 075(lg e 2)2(1)式中，e 为船舶对应航速的雷诺数。实船总阻力系数:Cts=Cfs+Crs+Cf=Cfs+(Ctm Cfm)+Cf(2)式中:Cf为粗糙度补贴系数;船模阻力系数 Ct、摩擦阻力系数 Cf和剩余阻力系数 Cr;下标 m 表示模型尺度;下标 s 表示实船尺度。结合实验室对快艇类船型处理经验，Cf取 0 2 103。实船总阻力:ts=Cts12Sv2SSS(3)式中:S表示实船所处水密度;vs表示实船航速;SS表示实船湿面积。实船有效功率:PES=tsVs1 000(kW)(4)1.3图谱数据获取模型试验在我校船模拖曳水池实验室(见图 3)进行，实验室包含试验水池和拖车系统，水池长 宽 深为 175 m 6 m 4 m，拖车航速最高 9 m/s，航速精度 0.1%。(a)试验水池(b)拖车系统图 3船模拖曳水池实验室结合水池硬件条件，确定试验缩尺比 =10，模型尺度长为 2.679 m，宽度分别为 0.458 m、0.542 m 和0.663 m，按 照 傅 汝 德 相 似 准 则 换 算 模 型 航 速 为2.440 6.344 m/s。木质模型及试验过程如图 4所示。图 4模型及试验过程对于快艇可用体积傅氏数和单位排水量阻力来完成其阻力图谱绘制，其中体积傅氏数为:Fr=Vg 1/3(5)将所有工况 54 条阻力数据按照横坐标为体积傅氏数 Fr，纵坐标为/绘制试验结果曲线图11，其581第 41 卷中船宽 B=4 58 m，排水量 =45 t。试验结果如图 5所示，可知将所有试验结果完成后共有 9 张如图 5 所示结果图，完成图谱数据的获取。图 5快艇阻力图谱(船宽 B=4 58 m，=45 t)2教学方案设计基于船舶阻力图谱，设计实验教学方案12 如图 6所示。图 6设计的实验教学方案(1)学生在一定范围内选取船长、船宽、斜升角、排水量和静倾角，基于阻力图谱线性插值得出不同航速阻力值，进一步得出不同航速有效功率。(2)学生选取推力减额 t 和伴流分数 w 等参数，对于 V 形艇推力减额 t 范围取 0.06 0.15，伴流分数w 范围取 0.1 0.18，相对旋转效率可初步取 1，轴系效率取 0.95 1 之间。(3)输入主机有效功率和数量，基于航速范围(15 39 kn)内有效功率曲线和步骤(2)中输入的推进系数，预估设计桨的敞水功率 0和船舶设计航速13。(4)输入螺旋桨的叶数(3 叶或 5 叶)，根据螺旋桨图谱设计准则选定螺旋桨，计算桨径 d、螺距比 P/d和盘面比 AD/A0。(5)完成螺旋桨参数计算后，选择图纸大小、螺旋桨旋向等参数，完成出图，图纸包含桨叶剖面尺寸表、螺旋桨要素表、正投影轮廓图、侧投影轮廓图和伸张轮廓图。3船舶快速性教学系统开发3.1教学软件设计按照上述方案完成教学软件设计，界面如图 7 所示，共包含 3 个模块:阻力插值模块，螺旋桨选型模块和螺旋桨出图模块。图 7教学软件界面阻力插值模块包含有船长、船宽、斜升角、排水量和静倾角输入窗口，学生输入上述参数后，基于船舶阻力图谱线性插值可输出该船舶“航速-功率”曲线。螺旋桨选型模块包含主机功率、转速、推力减额、伴流分数、桨叶数、相对旋转效率等输入窗口，完成以上输入后根据船舶的航速范围，基于已经生成“航速功率”曲线估算螺旋桨敞水效率和设计航速，完成螺旋桨主要参数选型。螺旋桨出图界面主要作用是在 AutoCAD 软件中完成自动出图14，选取螺旋桨旋向和图纸大小后，即可按要求生成 CAD 格式的螺旋桨设计图纸。3.2教学软件使用如图 8 所示，学生依次输入船长 28.9 m，船宽 5.2m，排水量 50 t，斜升角 18，静倾角 0.2，点击“输出实船有效功率”后完成阻力预报;进一步输入主机功率、转速、推力减额、伴流分数、减速比、传动效率、桨叶数量等参数，点击“输出螺旋桨参数”后完成螺旋桨的选取及设计航速预估;选择图纸为 A3，旋向右旋后点击“出图”即可实现螺旋桨图谱设计。图 8教学软件使用生成的螺旋桨图纸如图 9 所示，图纸包含螺旋桨681第 12 期宋磊，等:基于阻力图谱的船舶快速性教学系统开发要素表、叶剖面尺寸表和桨叶轮廓形状图。螺旋桨要素主要包含叶数、桨径、螺距比、盘面比、毂径、后倾角、旋向等参数。图 9生成的螺旋桨图纸叶剖面尺寸表按照 0.3 0.9 对桨叶进行剖切，桨叶剖面图横坐标以叶宽百分比表示15，纵坐标以最大叶宽百分比表示;桨叶轮廓形状图包含侧投影图、正投影图和伸张轮廓图，是对螺旋桨要素表和叶剖面尺寸表的图形显示。4结语以 V 形快艇为对象，以模型试验的方法获取其在不同船宽、斜升角、排水量、静倾角工况下共 54 组阻力数据，形成该母型艇的阻力图谱。学生选定船型参数后根据图谱线性插值获得有效功率，选定主机功率和转速后预估船舶设计航速，完成螺旋桨设计，编制叶剖面尺寸表，并完成桨叶轮廓形状图绘制。本教学系统作为课堂知识教学的辅助软件，将阻力性能、推进性能、船机桨匹配知识有机融合，丰富了课堂教学的内容，拓展了教学手段。教学系统界面简洁交互性强，可使学生对螺旋桨形成直观认识。教学过程可使学生对整个船舶设计过程形成系统认识，启发学生对船舶设计阶段核心问题的思考，提升创新能力和实践能力。参考文献(eferences):1周宏，蒋志勇，姚震球，等 船舶原理精品课程建设研究J 江苏教育学院学报(自然科学版)，2010，26(2):4-72韩鑫，蓝尉冰，焦自权 实践化教学模式在船舶原理课程教学中的应用J 产业与科技论坛，2015，14(15):188-1893承涵，凌伟 高速军用、公务快艇的国内外现状及分析A北京造船工程学会 北京造船工程学会 2016-2017 年学术论文集C/北京造船工程学会，2018:94张登科 深 V 形船体参数化设计开发研究D 青岛:青岛科技大学，20145朱珉虎 高速艇与游艇设计手册J 船舶，2014，25(1):386王超，赵雷明，曾特殊，等 螺旋桨定常性能面元法预报教学系统开发J 实验技术与管理，2020，37(11):213-2177孙聪，郭春雨，冯峰，等 船海虚拟仿真国家级实验教学中心建设浅谈J 实验室研究与探索，2018，37(8):167-1708符妃 半滑行状态游艇艇型优化研究D 广州:华南理工大学，20149邱守强，王冬姣，葛文博，等 新型重力式船模阻力试验测定方法及装置研制J 实验室科学，2020，23(5):24-28 10宋磊，童骏，孙江龙 纵倾调整对三大主力船型航行性能的影响J 实验室研究与探索，2021，40(2):18-22 11韩翔希，赵成璧，唐友宏，等 高速船航态模拟与阻力预报 CFD方法应用J 科学技术与工程，2013，13(21):6176-6183 12时永鹏 船舶主要要素的智能化设计系统开发D 上海:上海交通大学，2013 13崔哲 基于螺旋桨敞水特性曲线的船机桨匹配研究D 哈尔滨:哈尔滨工程大学，2017 14刘杰，杨梓辉，韩博志，等 船用 CAD 参数化绘图系统的配置化实现方法J 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