再发：先进的HYDROCOMP计算机辅助船舶推进系统设计软件

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再发－－－－庆贺船舶工程板块开张！
  
先进的HYDROCOMP计算机辅助船舶推进系统设计软件  
   
　　随着21世纪先进新船型技术性能的不断提高，作为船舶"心脏"的船舶推进系统，其设计和制造技术也必须相应地不断改进，以使船舶具有更好的快速性、操纵性、机动性、降低能源消耗和更好地保护海洋生态环境。
  
　　每艘现代机动船都是由船体、主机和推进器三者有机合成的能量整体。如何根据船、机、桨各自的工作特性，进行科学合理的匹配，以便在各种航行工况下，使船、机、桨三者的效率最佳，进而对船舶进行高效的管理，对提高船舶营运经济性具有非常重要的意义。
  
HYDROCOMP软件简介
　　HYDROCOMP计算机辅助船舶推进系统设计软件是由美国HYDROCOMP公司于1984年就推出的用于解决船舶推进系统设计的专业软件，也是目前世界上该领域最先进和完善的软件之一。特别是HYDROCOMP独特的核心设计理念，使它在计算机辅助船舶推进系统设计领域独树一帜，因而长盛不衰。到目前为止，该软件已拥有全球430多家造船及航运业的专业用户。最近HYDROCOMP的PropCAD V3软件在荷兰阿姆斯特丹举行的船用设备贸易展览会上获得了著名的产品设计奖（DAME）。
  
　　HYDROCOMP系列软件包括NavCAD、ProExpert和PropCAD三个模块，分别用于解决船舶推进系统分析、螺旋桨设计和计算机辅助螺旋桨生产等领域的实际应用问题。各模块主要特点介绍如下：
  
NavCAD（船舶推进系统分析模块）
　　NavCAD是一个用于船舶快速性能预报和分析的模块，它可以用于选择合适的推进系统单元，包括主机、齿轮箱和推进器等。NavCAD适用于各种排水型、半排水型船、滑行艇、内河驳船和船队、帆船和双体船等船型。它还可以对敞水桨、导管桨、表面桨以及喷水推进器的拖曳和自航试验进行分析。
  
　　NavCAD与其它同类软件不同，它不是仅仅局限于在一两个方面对船舶快速性进行有限的分析，而是提供了一个可以从船体到主机进行静态平衡分析的完整平台。它给诸如最低船体阻力分析和多目标螺旋桨优化设计等工作提供了强大的支持。NavCAD认为，船舶的航速不是船舶的极限速度，不是船舶劈波斩浪地航行速度，也不是所谓的最大设计速度。每条船在其排水量模式下航行时，都要产生艏波系和艉波系。随着航速的增加，波长也增加，两波系之间的相位差也会交替变换，这种相位的变换造成阻力曲线的峰谷交替而凹凸变化（这也是球鼻艏的工作机理，即球鼻艏自身产生的波系抵偿并降低了一部分艏波）。设计者不能通过船舶航速的计算知道阻力曲线峰谷处的振幅，而只能知道阻力出现峰值的位置（进一步的分析表明，很多船体参数都影响阻力峰值的大小和位置，最主要的是菱形系数和艉封板浸湿特性）。如果在船舶航速附近有一个阻力峰值，说明此处的航速不经济，但这个航速并不是一个不可逾越的物理极限。总之，如果可能，船舶航速是一个应尽量避免的航速。采用阻力谷值而不是峰值处的航速，这样船体的效率才高。  
  
　　用户输入船体性能参数、选择阻力估算方法后，就可以应用最低船体阻力分析方法来优化船体线型特征，即只需指定各参数的变化搜索范围及变化步长（例如船长、船宽、浮心纵向位置等），NavCAD就可估算该船各个排列组合方案的阻力并按阻力大小顺序自动进行排列，具有最低阻力的最优船型方案显示在表列首项，并按百分比的形式列出其它方案与最低阻力方案的性能差异。NavCAD还可以运用加权平均法对船舶的快速性进行两个航速（民船一般为试航速度和服务航速，军用舰艇则为战斗航速和巡航速度）下的综合权衡分析。这一功能是NavCAD所独有的。
  
NavCAD通过如下的措施来确保阻力估算的精度：
　　具有一个包含有大量估算方法的方法库（仅裸船体阻力估算方法就多达30余种）；
　　运用各种方法之间的相似兼容部分；
　　根据特定的技术状态进行针对性计算；
　　具有一个完善的分析环境，使得关键因素（如浅水阻力影响）不被忽略；
　　能作出详尽的评估和内部检测。
  
　　另外，NavCAD还包含了HydroComp的估算方法适用性评估系统。这种功能，可以根给定据船舶特征，由航速大小、船体参数特性以及其它一些特殊参数（例如，某种估算方法中引入了水线面系数和纵倾等因素对阻力的影响），排列筛选出最适用于指定船舶的阻力估算方法。当某种估算方法按照指定船舶信息估算出异常结果时，系统会自动发出警告信息。
  
　　NavCAD不仅可以作为一个单独的标准工具使用，而且可以连同其它的船舶工程设计软件一起使用。NavCAD使用参数化的船体数据，使得船舶各细节的输入非常方便。NavCAD同时支持IMSA开放的船体数据传输标准（IDF），这样在其它程序中开发的船体数据可以被输出到NavCAD中。在其它的设计程序中也可运行NavCAD；将设计数据输入NavCAD并运算分析后，新的优化船体参数可以返回到主程序。HydroComp公司与主要的船舶软件开发商进行合作，使得NavCAD可以在其它的系统中运行，而且船体参数可以自动地生成和传送。同样，用户也可以在NavCAD中调用其它的程序，其数据交换的格式基于标准的ASCII码。
  
　　最新NavCAD3.8版的主要改进在于提高了用户的工作效率，并提高了估算结果的精度和可靠性。最引人注目的新特性是基于CT的阻力预报。在先前的版本中，估算方法可以用于排水型、半排水型船及帆船等船型，一个船体的定义往往需要来回反复地修改；而3.8版中，所有这些船体的阻力估算方法和船体数据均集中在一个屏幕中输入，参数的输入也可以用无因次的形式进行（如长度/宽度比，宽度/吃水比等）。
  
ProExpert（螺旋桨设计数据库模块）
　　ProExpert是用于工程船和游艇推进系统选择和分析的模块。PropExpert建立在NavCAD数据库的基础上，提供了多种用于选择合适的推进系统单元（主机、齿轮箱和推进器）的工具。  
  
　　PropExpert主要适用于工程船和游艇，包括机动游艇、帆船、拖船、推船、巡逻艇、运动艇和钓渔艇等。只需输入少量数据，系统就能精确地描述出船体特征，以便于PropExpert的各种分析计算。
  
　　对于几乎所有的民船，PropExpert都可以分析出螺旋桨的最佳直径、螺距、盘面面积及转速。螺旋桨叶数可以是2叶到5叶；直径范围从450mm到2.5m（该范围可以在满足相似条件的前提下进行扩展）；螺旋桨叶形式包括弓形切面（如高恩系列）、机翼形切面（如B系列）以及导管螺旋桨（如Ka系列）。
  
　　PropExpert中有3种方法来估算船舶的航速。最精确的方法是建立在对船舶的试航试验基础上的估算。同类母型船的试航试验也可以用来估算航速。当不具备可靠的试航实验数据时，设计者还可以使用
  
PropExpert的平均船体航速估算公式。
　　PropExpert以NavCAD的性能预报软件包为基础，具有很高的可靠性。PropExpert在实验和实际应用中得到了普遍的验证。它不仅包容了最新的研究成果，而且使用方便，是一个功能强大的软件包。该软件附带的某些功能还能满足推进系统设备销售人员的特殊需要；所需定义的船体参数少、能自动预报水动力学性能、简捷的数据输入和强大的数据库处理功能使得他们能够快速地进行计算和分析。
  
表1 PropExpert模块的主要特点及功能
  
桨叶形式  高恩系列、B系列、Ka19A和37系列  
适用船型 排水型、半排水型、滑行艇、帆船、驳船、双体船  
服务类型 客船/旅游船、工程船/运输船、拖航试验、系柱试验  
航速预报 平均船舶航速公式、基于本船试航的航速预报，基于同类母型船舶试航的航速预报  
数据库 船舶试航数据库、螺旋桨及主机数据库、用户数据库  
优化项目 直径、螺距、盘面比、减速比  
评估项目 效率、推力、功率、空泡、桨叶强度、桨轴直径、燃油消耗  
高级功能 空泡性能分析、参数自动计算功能、特种螺旋桨  
  
　　PropExpert的所有数据都储存在集成数据库中，不需要打开或存储磁盘文件，PropExpert中包括工作数据库、试航数据库、默认设置数据库及螺旋桨和主机数据库（这些文件也可以通过通用的数据库程序读出）。用户可以将PropExpert连接到开始时就建立的数据，也可以连接到商用数据库程序。PropExpert附带有世界船用主机数据库(World Marine Engine DataBase)和HydroComp螺旋桨数据库(Hdrocomp Stock Propeller DataBase)。
  
　　PropExpert模块的主要特点及功能详见表1。
  
PropCAD（桨叶动态三维CAD生成模块）
　　PropCAD 是用于船舶螺旋桨设计生产数据建模、二维和三维视图自动生成的模块。PropCAD软件建立在CAD（IMSI的可视CADD）基础上，并在螺旋桨设计功能中加入了大量有针对性的CAD功能（另外PropCAD还具有一个完备的可视CADD软件包）。
  
　　使用PropCAD强大的绘图功能，可以设计各种类型的船用螺旋桨。PropCAD甚至可以用于绘制其它机器的旋转部件，诸如涡轮发动机桨叶和空气螺旋桨。生成螺旋桨设计图最简单方法是使用PropCAD的Builder功能
PropCAD包含了常用螺旋桨（如高恩系列、B系列、Ka导管系列、AU系列和SK系列）的资料库。设计者只要输入一些关键的参数，就可以生成螺旋桨完整的几何图形。例如，输入需要的盘面比，纵斜和侧斜值及厚度分布规律，PropCAD 将生成螺旋桨的所有几何参数，包括弦长、叶厚度、侧斜、纵斜和叶剖面型值。
  
　　用户可以对螺旋桨的几何参数进行自定义，设计出任何实际的形状。PropCAD Builder可以在现有图形基础上生成新的形状，这样，PropCAD所生成的螺旋桨图样可以被保存为新设计螺旋桨的"样板"。
  
　　PropCAD可以输出的图形包括：二维设计图形、三维视图和二维、三维叶剖面的型值表。通过可视CADD，各种图形可以被打印输出至任何Windows支持的打印绘图设备。设计图纸包括伸张轮廓图、横剖面图、侧视图、螺距分布、几何信息（重量和转动惯性矩）及基本的螺旋桨几何参数。PropCAD3.0版中还有三维动态视图，用户可以从各个视角观察设计的螺旋桨。无论是二维还是三维的螺旋桨几何图形，都可以由PropCAD输出。这个信息存在多种格式，并且用途广泛，如可以被输入实体建模程序、NC分析应用程序或CFD和FEM分析程序等。
  
　　桨叶厚度是任何螺旋桨设计中的一个重要参数。PropCAD可以生成船级社（如ABS）认可的厚度计算报告。在初步设计阶段，这些计算报告可以用来辅助PropCAD Builder计算螺旋桨各处的最小厚度。
  
　　综上所述，应用HYDROCOMP计算机辅助船舶推进系统设计软件，用户可以非常快捷、准确地解决船舶推进系统研究领域内的核心问题；其中许多HYDROCOMP独有的分析功能都是该软件设计理念的集中体现，很有借鉴意义。