艦船推進(jìn)系統(tǒng)仿真研究
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摘 要：以蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)為例來(lái)探討船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真技術(shù)，介紹了推進(jìn)系統(tǒng)仿真的方法、實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建方法。
關(guān)鍵詞：艦船 推進(jìn)系統(tǒng) 仿真
一、引言
船舶推進(jìn)系統(tǒng)仿真有著廣泛的用途，如機(jī)械的性能分析、振動(dòng)分析、操縱性和適航性分析、機(jī)械控制規(guī)律的開(kāi)發(fā)、設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的研究、機(jī)械操作訓(xùn)練器和駕駛訓(xùn)練器等。目前艦船推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源主要有柴油機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和核動(dòng)力等，本文以蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置為例來(lái)探討船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真技術(shù)。
二、系統(tǒng)仿真簡(jiǎn)介
系統(tǒng)仿真首要就是建立系統(tǒng)模型，建模又分為兩類：物理建模，即用相似原理建立實(shí)體物理模型；數(shù)學(xué)建模，即用代數(shù)公式或微分方程描述系統(tǒng)的特性。與之對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)仿真也可大致分為“物理仿真”和“數(shù)字仿真”兩類。前者得到結(jié)果直觀、逼真感強(qiáng)但所需時(shí)間長(zhǎng)，且大量數(shù)據(jù)需要人工處理才能得出結(jié)論；后者以計(jì)算機(jī)為主要工具對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，所需時(shí)間短且數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，但需對(duì)建模技術(shù)深入研究，以保證模型與實(shí)際的符合性。還有一種將兩者結(jié)合起來(lái)的仿真形式，即“半實(shí)物仿真”。
三、推進(jìn)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)
1．推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
采用蒸汽輪機(jī)的艦船推進(jìn)裝置，整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程簡(jiǎn)單概括就是主鍋爐產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)艦船運(yùn)動(dòng)。實(shí)際艦船蒸汽動(dòng)力裝置遠(yuǎn)比此圖復(fù)雜，根據(jù)船舶噸位不同，鍋爐、汽輪機(jī)有一臺(tái)或是多臺(tái)。但不論是一臺(tái)還是多臺(tái)，它們?cè)谙到y(tǒng)工作原理上都是相同的。
艦船在巡航、戰(zhàn)斗等不同的工況下需要以不同的航速運(yùn)行，船速的變化依賴于螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化。螺旋槳是通過(guò)齒輪箱減速裝置連到汽輪機(jī)的輸出軸，所以船速的變化最終是靠調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速改變是通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴蒸汽流量，噴嘴蒸汽流量的改變也就是蒸汽消耗量的變化需要調(diào)節(jié)鍋爐的產(chǎn)汽量，它最終取決于鍋爐燃燒器的燃油噴油量的調(diào)節(jié)。
2．系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)
艦船蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)仿真類型的分類可有三種方法。
一種就是小比例實(shí)物的物理仿真。對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，按一定的比例縮小建造進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)相似性原理，得出實(shí)際系統(tǒng)的特性參數(shù)。其缺點(diǎn)是初次費(fèi)用投資大，修改系統(tǒng)參數(shù)復(fù)雜，仿真時(shí)間長(zhǎng)，有大量數(shù)據(jù)需要人工處理；優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀，能準(zhǔn)確反映實(shí)際船舶系統(tǒng)工作狀況。
另一種就是應(yīng)用廣泛的數(shù)字仿真。根據(jù)歸納總結(jié)出的數(shù)學(xué)模型，用軟件編程在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真得出結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)直接完成，相對(duì)較簡(jiǎn)單，能很快得出仿真結(jié)果；缺點(diǎn)在于實(shí)際工作對(duì)象工作過(guò)程很復(fù)雜，所建的數(shù)學(xué)模型大多經(jīng)過(guò)了一定程度的簡(jiǎn)化，能否真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工作過(guò)程有待更進(jìn)一步的試驗(yàn)檢驗(yàn)。
還有一種就是將兩者聯(lián)合起來(lái)的半實(shí)物仿真。對(duì)艦船推進(jìn)系統(tǒng)規(guī)律較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，而對(duì)系統(tǒng)規(guī)律不十分清楚、建立模型較困難的部分采用物理模型。這種針對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的多種不同仿真方式構(gòu)成一種相互依賴、相互驗(yàn)證、相輔相成的關(guān)系。
可見(jiàn)，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及其準(zhǔn)確性是整個(gè)仿真的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。
三、推進(jìn)系統(tǒng)建模方法
1．鍋爐系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型
鍋爐參數(shù)和汽輪機(jī)參數(shù)之間動(dòng)態(tài)過(guò)程相互關(guān)聯(lián)，存在著復(fù)雜的耦合性。以鍋爐幾個(gè)主要輸入、輸出量作為參數(shù)建立模型，研究其變化時(shí)汽輪機(jī)系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵基本參數(shù)的仿真結(jié)果。
蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)。按照設(shè)備結(jié)構(gòu)與汽水流程特點(diǎn)，首先將汽輪機(jī)分解成汽輪機(jī)本體系統(tǒng)、抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)、凝汽器和抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、低壓加熱器系統(tǒng)（LT）、除氧器系統(tǒng)、高壓加熱器系統(tǒng)（HT）、輔汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等子系統(tǒng)。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際流程或工作機(jī)理再分成若干基本的熱力設(shè)備環(huán)節(jié)。針對(duì)熱力系統(tǒng)中最基本的熱力設(shè)備環(huán)節(jié)，根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、傳熱方程、熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)方程和其它類型的方程，建立每個(gè)環(huán)節(jié)的模塊算法。再根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況，根據(jù)物質(zhì)流或信息流完成模塊間的相互連接，完成子系統(tǒng)模型的建立過(guò)程。最后，各個(gè)子系統(tǒng)模型拼接構(gòu)成完整的汽輪機(jī)大模型。
3．傳動(dòng)設(shè)備模型
齒輪箱：船用減速齒輪箱的數(shù)學(xué)模型一般簡(jiǎn)化成由減速比和傳動(dòng)效率兩部分組成。減速比用來(lái)描述運(yùn)動(dòng)參數(shù)的輸入輸出關(guān)系；傳動(dòng)效率用來(lái)描述功率參數(shù)的輸入輸出關(guān)系。對(duì)于齒輪箱體可建立三維有限元模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析，求出齒輪系統(tǒng)的固有特性，研究齒輪箱體的動(dòng)態(tài)特性。
軸系：通過(guò)軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)，生成扭振當(dāng)量系統(tǒng)模型并進(jìn)行軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算。
離合器：傳動(dòng)設(shè)備中摩擦離合器是常見(jiàn)的，它們靠一對(duì)摩擦副摩擦力矩傳遞運(yùn)動(dòng)和功率。用力學(xué)分析的方法，以摩擦力矩作為控制參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。一個(gè)離合器從完全脫開(kāi)到完全接合要經(jīng)歷幾個(gè)不同狀態(tài)，從全接合到全脫開(kāi)也有不同狀態(tài)，仿真時(shí)要區(qū)別對(duì)待。
4．螺旋槳及艦船本體模型
螺旋槳模型是汽輪機(jī)與船體配合的連接點(diǎn)，在研究推進(jìn)裝置過(guò)程中，必須研究艦體和螺旋槳的配合、螺旋槳和汽輪機(jī)的配合這兩部分。在建立螺旋槳模型前，首先應(yīng)根據(jù)艦船的阻力和汽輪機(jī)的功率，大體選擇合適的螺旋槳系列，然后確定螺旋槳的主要參數(shù)進(jìn)行建模。
四、結(jié)語(yǔ)
艦船推進(jìn)裝置中使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，時(shí)間短、投資少、改變實(shí)驗(yàn)方案容易、安全、重復(fù)性好，而且得到的仿真結(jié)果可以為臺(tái)架試驗(yàn)提供參考或指導(dǎo)。另外，如果實(shí)行實(shí)時(shí)仿真，把仿真機(jī)（其中只保留被控對(duì)象模型）與實(shí)際控制機(jī)（或?qū)嶋H的輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）相連，以實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真，就可以考核或調(diào)試實(shí)際控制機(jī)，也可構(gòu)成仿真訓(xùn)練器。
