一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法与流程

1.本发明涉及船舶电力推进建模仿真技术领域，尤其涉及一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法。


背景技术：

2.现代船舶电力推进技术不仅实现了舰船推进系统和电力系统的集成，简化船舶动力系统结构，增加有效舱容，改善操纵性能，而且能提高船舶系统效率，降低船舶噪声能级，减少船舶全寿命周期费用，代表着当今船舶动力的发展方向，是未来新型船舶动力技术发展的制高点。
3.船舶电力推进系统是一个机电磁强耦合的系统，系统结构复杂，系统性能与每一个部件息息相关，对于船舶电力推进系统方案进行建模仿真研究是一项复杂但必要的工作，计算机建模仿真技术无疑是最具性价比的评估手段。
4.目前，船舶电力推进系统的建模仿真和数据分析过程中的各项任务都是孤立存在的，各任务之间有大量的数据文件交互均依赖于人工手动操作，不仅效率低下，还存在较高的人工错误风险，影响仿真模型和方案性能评估的准确性。


技术实现要素：

5.根据现有技术的研究现状，本发明提供一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法及系统，是一种用于船舶电力推进分系统设计方案的基于数字化设计仿真模型的快速、准确建模设计方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，基于python脚本程序库模块、研发资源库模块、多学科集成仿真平台及模型库模块和系统数据库模块构成的设计系统；所述的python脚本程序库模块具体功能包含数字化需求定义程序、系统总体初步多方案设计程序、子系统初步多方案设计程序、系统总体初步多方案优选程序、子系统详细方案设计程序、高精度模型降阶处理程序和数字化样机性能评估程序；所述的研发资源库模块包含标准库、规范库、参考文档库、商业设计软件库和多学科多工况材料库，以提供标准、规范、参考文档、商业软件封装、多学科多工况材料库等数字化设计要素支撑；所述的仿真平台及模型库包含系统模型库、部件模型库和元器件模型库，通过系统级、部件级和元器件级三个级别的电力推进系统仿真模型库可以支撑各类典型船舶电力推进系统方案的电、热、振动耦合模型的建立和仿真；所述的系统数据库模块包含性能指标数据库、设计参数数据库、拓扑方案数据库、经验参数数据库和仿真结果数据库，用于数字化设计仿真流程中生成数据，根据数据类型与各子数据库相关联；包括以下步骤：步骤1，定义数字化需求：数字化需求定义程序将设计人员手动输入的包括但不限于额定输出轴功率、振动加速度总级、系统额定功率、电机重量转矩密度、变频器体积功率密度、转速控制精度、转矩控制精度、转矩响应时间、低频段振动加速度在内的性能指标文
件保存到性能指标数据库，从研制任务书等输入文件提取性能指标等设计要求，形成标准模板的数字化设计输入文件参数；步骤2，设计系统总体初步多方案：系统总体初步多方案设计程序运行，结合专家经验，根据设计人员手动输入的或拓扑方案数据库获取的系统拓扑方案信息，得到包括但不限于额定输出轴功率、振动加速度总级、额定输入电压、最小输入电压、最大输入电压、额定转速、最高转速、最低转速、系统效率、过载倍数、过载时间、低频段振动加速度、冷却方式、冷却介质进口最高温度在内的变频器子系统及电机子系统的设计参数，确定多种初步设计方案， 将系统性能指标要求及设计参数分解为变频器子系统及电机子系统设计输入；步骤3，设计变频器子系统及电机子系统初步多方案：子系统初步多方案设计程序基于规范库的规范、标准库的标准、参考文档库及多学科多工况材料库，商业设计软件库根据变频器及电机初步设计内容依次进行参数化自动设计仿真、依据经验公式的数值计算和数据的分析计算等，设计仿真过程可以调用经验参数数据库中的经验数据进行参考，根据数字化设计输入文件参数进行变频器子系统及电机子系统初步多方案设计，得到变频器及电机初步多方案设计参数；步骤4，优选设计系统总体初步多方案：以系统总体初步多方案优选程序参数化驱动多学科集成仿真平台及模型库模块，基于系统模型库、部件模型库、元器件模型库和变频器及电机初步多方案设计参数建立系统总体多方案仿真模型，得到各初步方案在各工况下的仿真结果参数，再与性能指标相对比得出最优系统总体初步方案，并将最优方案设计参数存入设计参数数据库；步骤5，设计变频器子系统及电机子系统详细方案：基于子系统详细方案设计程序及研发资源库模块中产品信息、规范库、标准库、参考文档库、多学科多工况材料库、经验参数等设计要素，根据最优系统总体初步方案，进行变频器电气、硬件、三维结构和电机热、振动、噪声、静力学详细方案设计，得到变频器及电机详细方案设计参数和模型；步骤6，高精度模型降阶处理：基于高精度模型降阶处理程序、研发资源库模块对系统各模块模型进行降阶，并将各模块降阶模型集成为电、热、振动融合的多学科集成高性能数字化样机；步骤7，数字化样机性能评估：基于数字化样机性能评估程序和多学科集成仿真平台进行数字化样机仿真得到仿真结果数据存入仿真结果数据库，调用评估程序对仿真结果数据进行处理得到数据处理结果，完成船舶电力推进分系统数字化模型设计后结合性能指标要求进行性能评估。
7.所述的一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，其仿真结果数据包含变频器输出电压数组、变频器输出电流数组、转速数组、电磁转矩数组和采样时间数组。
8.所述的一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，其数据处理结果包含转矩脉动、达到10%额定转矩时间、达到90%额定转矩时间、转速波动、达到10%额定转速时间、达到90%额定转速时间、功率波动、相电流谐波含量和相电压谐波含量。
9.本发明具有以下技术效果：本发明提供的设计方法根据船舶电力推进分系统原理构架及研发逻辑标准化了数字化设计流程，以基于python脚本建立的程序进行数字化设计，驱动多学科集成仿真平台完成建模仿真，驱动数据库进行数据管理和数据处理，减少了船舶电力推进分系统方案设计、建模仿真及性能评估过程中的人工手动操作，消除了人工
数据处理错误的风险，实现了系统多方案、多设计人员的协同设计，同时使得过程参数及文件可以追溯，提高了设计效率和可靠性。
附图说明
10.图1为本发明设计系统的系统构架示意图；图2为本发明设计方法的流程示意图；图3为本发明基于python脚本程序的代码功能示意图。
11.各附图标记为：21—python脚本程序库模块，211—数字化需求定义程序，212—系统总体初步多方案设计程序，213—子系统初步多方案设计程序，214—系统总体初步多方案优选程序，215—子系统详细方案设计程序，216—高精度模型降阶处理程序，217—数字化样机性能评估程序，22—研发资源库模块，221—标准库，222—规范库，223—参考文档库，224—商业设计软件库，225—多学科多工况材料库，23—多学科集成仿真平台及模型库模块，231—系统模型库，232—部件模型库，233—元器件模型库，24—系统数据库模块，241—性能指标数据库，242—设计参数数据库，243—拓扑方案数据库，244—经验参数数据库，245—仿真结果数据库。
实施方式
12.为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明进行进一步说明。
13.参照图1所示，本发明公开的一种一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，其设计系统的构架包括四个功能模块：python脚本程序库模块21、研发资源库模块22、多学科集成仿真平台及模型库模块23和系统数据库模块24。
14.其中python脚本程序库模块21具体功能包含数字化需求定义程序211、系统总体初步多方案设计程序212、子系统初步多方案设计程序213、系统总体初步多方案优选程序214、子系统详细方案设计程序215、高精度模型降阶处理程序216和数字化样机性能评估程序217。
15.其中研发资源库模块22包含标准库221、规范库222、参考文档库223、商业设计软件库224和多学科多工况材料库225，以提供标准、规范、参考文档、商业软件封装、多学科多工况材料库225等数字化设计要素支撑。
16.其中仿真平台及模型库23包含系统模型库231、部件模型库232和元器件模型库233，通过系统级、部件级和元器件级三个级别的电力推进系统仿真模型库可以支撑各类典型船舶电力推进系统方案的电、热、振动耦合模型的建立和仿真。
17.其中系统数据库模块24包含性能指标数据库241、设计参数数据库242、拓扑方案数据库243、经验参数数据库244和仿真结果数据库245，用于数字化设计仿真流程中生成数据，根据数据类型与各子数据库相关联。
18.参照图2所示，本发明设计方法流程包括步骤s1～s7，具体如下。
19.步骤1，定义数字化需求：数字化需求定义程序211将设计人员手动输入的包括但不限于额定输出轴功率、振动加速度总级、系统额定功率、电机重量转矩密度、变频器体积功率密度、转速控制精度、转矩控制精度、转矩响应时间、低频段振动加速度在内的性能指
标文件保存到性能指标数据库241，从研制任务书等输入文件提取性能指标等设计要求，形成标准模板的数字化设计输入文件参数。
20.步骤2，设计系统总体初步多方案。
21.系统总体初步多方案设计程序212运行，结合专家经验，根据设计人员手动输入的或拓扑方案数据库243获取的系统拓扑方案信息，得到包括额定输出轴功率、振动加速度总级、额定输入电压、最小输入电压、最大输入电压、额定转速、最高转速、最低转速、系统效率、过载倍数（转矩）、过载时间、低频段振动加速度、冷却方式、冷却介质进口最高温度在内的变频器子系统及电机子系统的设计参数，确定多种初步设计方案， 将系统性能指标要求及设计参数分解为变频器子系统及电机子系统设计输入。
22.步骤3，设计变频器子系统及电机子系统初步多方案。
23.子系统初步多方案设计程序213运行，基于设计程序及研发资源库模块22中规范库222的规范、标准库221的标准、参考文档库223及多学科多工况材料库225等设计要素以及商业设计软件库224，根据变频器及电机初步设计内容依次进行参数化自动设计仿真、依据经验公式的数值计算和数据的分析计算等，设计仿真过程可以调用经验参数数据库244中的经验数据进行参考，根据数字化设计输入文件参数进行变频器子系统及电机子系统（变频器电气、控制和电机电磁）初步多方案设计，得到变频器及电机初步多方案设计参数。
24.步骤4，优选设计系统总体初步多方案。
25.以系统总体初步多方案优选程序214参数化驱动多学科集成仿真平台及模型库模块23，基于系统模型库231、部件模型库232、元器件模型库233以及变频器及电机初步多方案设计参数建立系统总体多方案仿真模型，得到各初步方案在各工况下的仿真结果参数，再与性能指标相对比得出最优系统总体初步方案，并将最优方案设计参数存入设计参数数据库242。
26.具体的，系统总体多方案仿真模型调试过程中控制系统调试参数，可以根据设计人员经验输入，也可以从经验参数数据库244中调用相似拓扑方案的数据；运行系统总体初步多方案优选程序214后各方案仿真结果参数可以实现图形化对比，不满足性能指标数值高亮显示；即变频器进行控制系统设计及参数调试时，可以根据专家经验输入，也可以从数据库中调用相似经验参数。
27.步骤5，设计变频器子系统及电机子系统详细方案。
28.基于子系统详细方案设计程序215及研发资源库模块22中产品信息、规范库222的设计规范、标准库221、参考文档库223、多学科多工况材料库225、经验参数等设计要素，根据最优系统总体初步方案，进行变频器电气、硬件、三维结构和电机热、振动、噪声、静力学详细方案设计，得到变频器及电机详细方案设计参数和模型。
29.步骤6，高精度模型降阶处理。
30.基于高精度模型降阶处理程序216及研发资源库模块22中降阶工具对系统各模块模型进行降阶，并将各模块降阶模型集成为电、热、振动融合的多学科集成高性能数字化样机。
31.步骤7，数字化样机性能评估。
32.基于数字化样机性能评估程序217和多学科集成仿真平台进行数字化样机仿真得到仿真结果数据存入仿真结果数据库245，调用评估程序对仿真结果数据进行处理得到数
据处理结果，完成船舶电力推进分系统数字化模型设计，结合性能指标要求进行性能评估。
33.本发明方法设计得到的数字化模型是由全设计流程中基于各个专业的设计仿真工具建立的仿真模型、相关设计仿真参数和生成的各类文件报告组合而成。
34.python脚本程序库模块21中的7类分别与方法步骤s1至步骤s7相对应并实现各步骤自动化运行，用于多学科集成仿真平台及商业设计软件的启动、停止；仿真模型的加载、赋值、运行、停止，以及数据存储、调用、分析计算。图3为每个步骤所对应程序的代码功能示意图。
35.具体的，仿真结果数据包括但不限于：变频器输出电压数组、变频器输出电流数组、转速数组、电磁转矩数组、采样时间数组。
36.具体的，数据处理结果以数值和图片形式保存，包括但不限于：转矩脉动、达到10%额定转矩时间、达到90%额定转矩时间、转速波动、达到10%额定转速时间、达到90%额定转速时间、功率波动、相电流谐波含量、相电压谐波含量。
37.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，其特征在于：基于python脚本程序库模块（21）、研发资源库模块（22）、多学科集成仿真平台及模型库模块（23）和系统数据库模块（24）构成的设计系统；所述的python脚本程序库模块（21）包含数字化需求定义程序（211）、系统总体初步多方案设计程序（212）、子系统初步多方案设计程序（213）、系统总体初步多方案优选程序（214）、子系统详细方案设计程序（215）、高精度模型降阶处理程序（216）和数字化样机性能评估程序（217）；所述的研发资源库模块（22）包含标准库（221）、规范库（222）、参考文档库（223）、商业设计软件库（224）和多学科多工况材料库（225）；所述的仿真平台及模型库（23）包含系统模型库（231）、部件模型库（232）和元器件模型库（233），以支撑船舶电力推进系统电、热、振动耦合模型的建立和仿真；所述的系统数据库模块（24）包含性能指标数据库（241）、设计参数数据库（242）、拓扑方案数据库（243）、经验参数数据库（244）和仿真结果数据库（245）；包括以下步骤步骤1，定义数字化需求：数字化需求定义程序（211）将设计人员输入的包括额定输出轴功率、振动加速度总级、系统额定功率、电机重量转矩密度、变频器体积功率密度、转速控制精度、转矩控制精度、转矩响应时间、低频段振动加速度在内的性能指标文件保存到性能指标数据库（241），形成标准模板的数字化设计输入文件参数；步骤2，设计系统总体初步多方案：系统总体初步多方案设计程序（212）根据设计人员手动输入的或拓扑方案数据库（243）获取的系统拓扑方案信息，得到包括额定输出轴功率、振动加速度总级、额定输入电压、最小输入电压、最大输入电压、额定转速、最高转速、最低转速、系统效率、过载倍数、过载时间、低频段振动加速度、冷却方式、冷却介质进口最高温度在内的变频器子系统及电机子系统的设计参数，分解为变频器子系统及电机子系统设计输入；步骤3，设计变频器子系统及电机子系统初步多方案：子系统初步多方案设计程序（213）基于规范库（222）的规范、标准库（221）的标准、参考文档库（223）及多学科多工况材料库（225），商业设计软件库（224）根据变频器及电机初步设计内容依次进行参数化自动设计仿真、依据经验公式的数值计算和数据的分析计算，设计仿真过程调用并参考经验参数数据库（244）中的经验数据，根据数字化设计输入文件参数进行变频器子系统及电机子系统初步多方案设计，得到变频器及电机初步多方案设计参数；步骤4，优选设计系统总体初步多方案：以系统总体初步多方案优选程序（214）参数化驱动多学科集成仿真平台及模型库模块（23），基于系统模型库（231）、部件模型库（232）、元器件模型库（233）和变频器及电机初步多方案设计参数建立系统总体多方案仿真模型，得到各初步方案在各工况下的仿真结果参数，再与性能指标相对比得出最优系统总体初步方案，并存入设计参数数据库（242）；步骤5，设计变频器子系统及电机子系统详细方案：基于子系统详细方案设计程序（215）及研发资源库模块（22）中产品信息、规范库（222）、标准库（221）、参考文档库（223）和多学科多工况材料库（225），根据最优系统总体初步方案，进行变频器电气、硬件、三维结构和电机热、振动、噪声、静力学详细方案设计，得到变频器及电机详细方案设计参数和模型；步骤6，高精度模型降阶处理：基于高精度模型降阶处理程序（216）、研发资源库模块（22）对系统各模块模型进行降阶，并将各模块降阶模型集成为电、热、振动融合的多学科集成高性能数字化样机；
步骤7，数字化样机性能评估：基于数字化样机性能评估程序（217）和多学科集成仿真平台进行数字化样机仿真得到仿真结果数据，调用评估程序对仿真结果数据进行处理得到数据处理结果，完成船舶电力推进分系统数字化模型设计后结合性能指标要求进行性能评估。2.根据权利要求1所述的一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，其特征在于，所述的仿真结果数据包含变频器输出电压数组、变频器输出电流数组、转速数组、电磁转矩数组和采样时间数组。3.根据权利要求2所述的一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，其特征在于，所述的数据处理结果包含转矩脉动、达到10%额定转矩时间、达到90%额定转矩时间、转速波动、达到10%额定转速时间、达到90%额定转速时间、功率波动、相电流谐波含量和相电压谐波含量。

技术总结
本发明公开了一种船舶电力推进分系统数字化模型设计方法，基于Python脚本程序库模块、研发资源库模块、多学科集成仿真平台及模型库模块和系统数据库模块构成的设计系统，方法包括数字化需求定义、设计系统总体初步多方案、变频器子系统及电机子系统初步多方案设计、系统总体初步多方案优选、变频器子系统及电机子系统详细方案设计、高精度模型降阶处理和数字化样机性能评估；本发明根据船舶电力推进分系统原理构架及研发逻辑标准化了数字化设计流程，减少了设计过程中的手动操作，消除了数据及文件人工处理错误的风险，实现了系统多方案、多设计人员的协同设计，同时使得过程参数及文件可以追溯，提高了设计效率和可靠性。性。性。


技术研发人员：刘乐 谢鹏飞 柳思奇
受保护的技术使用者：武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶集团有限公司第七一二研究所）
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/15