陳 壯 陳大為 陳 路

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

船用錨是系固船舶的主要裝置，其性能直接決定船舶能否可靠的系留。在船舶航行途中錨需穩(wěn)定的收靠于船體以避免錨爪和船體碰撞，因此船舶一般在船首部設(shè)置錨臺(tái)錨唇，作為錨的收靠平臺(tái)。在進(jìn)行錨唇設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)碰到如下4個(gè)問(wèn)題：

1）錨唇的頂部端面設(shè)計(jì)為平面，在錨機(jī)拉力的作用下，錨爪會(huì)沿錨唇端面上滑，造成錨冠與錨唇脫開(kāi)，錨無(wú)法緊密貼合錨唇。

2）錨唇下口處圓弧半徑設(shè)計(jì)過(guò)小，在收放錨鏈時(shí)無(wú)法保證始終有3個(gè)錨鏈與錨唇下口接觸，錨鏈易發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

3）錨鏈筒直徑設(shè)計(jì)過(guò)小或錨鏈筒角度設(shè)計(jì)有誤，會(huì)導(dǎo)致收放錨時(shí)，錨桿頂端容易碰撞錨鏈筒上壁。

4）錨唇設(shè)計(jì)有誤，不平衡大抓力錨在收錨時(shí)無(wú)法正常翻轉(zhuǎn)，發(fā)生卡錨現(xiàn)象。

對(duì)于這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員會(huì)盡量在錨系初始設(shè)計(jì)中去解決；在初始設(shè)計(jì)完成后還需對(duì)其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。目前國(guó)內(nèi)外主流的驗(yàn)證方案有兩種。

第一種方案是縮比木模拉錨試驗(yàn)，即根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作一定比例的船首以及錨的木模進(jìn)行拉錨試驗(yàn)。根據(jù)木模拉錨試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)錨鏈筒和錨唇的位置及形狀進(jìn)行修正，重復(fù)試驗(yàn)，直到錨收放過(guò)程順暢，確保實(shí)船時(shí)該錨泊系統(tǒng)能夠正常工作［1］。這是傳統(tǒng)解決方案，船廠和船東認(rèn)可度較高。然而，每次調(diào)整設(shè)計(jì)方案后，都必須重新制作木模，不僅需要花費(fèi)大量的人力物力，而且可能需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)周期才能達(dá)到船東和船級(jí)社的要求。

第二種方案是計(jì)算機(jī)拉錨仿真［2-3］。作為新的解決方案，相比于木模拉錨試驗(yàn)，其在試驗(yàn)周期、試驗(yàn)成本、占地面積及環(huán)境安全等方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)；在擬真程度上，相比于木模拉錨試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)仿真可精確設(shè)置任何接觸條件下的摩擦因數(shù)，可實(shí)現(xiàn)錨的勻速收放，總體及細(xì)節(jié)的擬真程度極高。2000年后，計(jì)算機(jī)拉錨仿真以其極高的時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性及擬真度獲得船東青睞，使用率持續(xù)增加。

針對(duì)錨唇的頂部端面為平面時(shí)，在錨機(jī)拉力下錨爪沿錨唇端面上滑導(dǎo)致錨冠和錨唇脫離這一問(wèn)題，本文提出了一種新型的錨唇型式，以完全抑制錨爪向上滑移的趨勢(shì)。為驗(yàn)證此新型錨唇對(duì)錨爪的收靠效果，利用三維軟件SOLIDWORKS的Motion模塊對(duì)拉錨過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得出錨的運(yùn)動(dòng)軌跡及錨的最終收靠狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)錨唇進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上完成了平衡大抓力錨、不平衡大抓力錨、斯貝克錨的動(dòng)態(tài)拉錨仿真及翻鏈工況的校核以驗(yàn)證本仿真方法的準(zhǔn)確性。本文以平衡大抓力錨為例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 新型錨唇設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)的錨唇頂部端面為平面的設(shè)計(jì)，該錨唇在頂部端面的上端增加止動(dòng)凸臺(tái)，凸臺(tái)的位置及臺(tái)階面的角度與錨爪匹配。當(dāng)錨爪到達(dá)設(shè)計(jì)既定的收靠位置后，受到錨機(jī)拉力的繼續(xù)作用，有沿錨唇向上滑移的趨勢(shì)。由于錨唇頂部止動(dòng)凸臺(tái)位于錨爪的兩個(gè)錨齒之間，抵消了驅(qū)動(dòng)錨爪向上滑移的分力，阻止了錨爪向上滑移。錨臺(tái)三維正視圖如圖1所示，錨與錨唇最終貼合狀態(tài)如圖2所示。

圖1 錨唇三維正視圖

圖2 錨、錨唇貼合正視圖

2 錨系模型建立

在SOLIDWORKS中將各部件根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行定位后的錨系三維裝配模型如圖3所示［4］。整個(gè)錨系仿真模型包括錨唇、錨臺(tái)、錨、錨桿、錨鏈、錨鏈筒、導(dǎo)鏈滾輪及船首結(jié)構(gòu)共7個(gè)部件。除錨唇、錨臺(tái)是在犀牛（Rhino）軟件中建模后導(dǎo)入外，其余5個(gè)部件在SOLIDWORKS中建模。本拉錨仿真目的是得出新型錨唇對(duì)錨爪的收靠效果，考慮到Motion動(dòng)態(tài)仿真時(shí)零部件數(shù)量、接觸條件、約束條件對(duì)仿真效率的影響，在不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)縮短錨鏈及錨鏈筒的長(zhǎng)度，以減小后續(xù)仿真計(jì)算時(shí)間。

圖3 錨系三維裝配模型

2.1 錨及錨鏈三維模型

根據(jù)該船的規(guī)格書(shū)和舾裝數(shù)計(jì)算書(shū)對(duì)選用的錨和錨鏈進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模。該船選用大抓力錨，對(duì)模型添加材料屬性，其中錨重為10 700 kg。在裝配體中完成錨爪、錨桿、卸扣及錨鏈環(huán)的配合，其中錨爪與錨桿的配合為相關(guān)面的同心、重合及角度限制，錨桿與卸扣的配合相關(guān)面的同心、重合及角度限制，錨鏈環(huán)與卸扣及錨鏈環(huán)之間不使用配合，整個(gè)錨鏈在Motion分析中設(shè)置三維接觸和約束條件。圖4為錨和錨鏈配合后的裝配體模型。

圖4 錨及錨鏈三維模型

2.2 導(dǎo)鏈滾輪三維模型

在仿真模型中，導(dǎo)鏈滾輪定位于錨鏈筒入口處使得錨鏈通過(guò)錨鏈筒時(shí)不會(huì)同錨鏈筒口發(fā)生摩擦，考慮到縮短了錨鏈筒長(zhǎng)度，因此將導(dǎo)鏈滾輪中心點(diǎn)位置按照縮短比例定位以盡量準(zhǔn)確地模擬拉錨過(guò)程，考慮到模型數(shù)量對(duì)動(dòng)態(tài)仿真效率的影響，將船首（含錨唇、錨臺(tái)）、錨鏈筒及導(dǎo)鏈滾輪合為整體模型。導(dǎo)鏈滾輪三維模型如圖5所示。

圖5 導(dǎo)鏈滾輪三維模型

3 Motion動(dòng)態(tài)拉錨仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在三維裝配圖中，固定船首（含錨唇、錨臺(tái)）、錨鏈筒及導(dǎo)鏈滾輪，將錨爪、錨桿及錨鏈按照設(shè)計(jì)圖紙調(diào)整至初始位置。給錨鏈、錨、船首模型等添加材料屬性；設(shè)置模型實(shí)體接觸，包括船首與錨系其他模型的三維實(shí)體接觸、錨鏈環(huán)與卸扣的三維實(shí)體接觸、錨鏈環(huán)之間的實(shí)體接觸；設(shè)置模型重力加速度大小及方向；設(shè)置拉錨速度、拉錨力及作用對(duì)象。仿真采用速度控制結(jié)合力控制的驅(qū)動(dòng)方式，在錨爪貼合錨唇之前使用恒定速度的線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)自由端錨鏈，在錨爪接近貼合錨唇時(shí)使用恒拉力驅(qū)動(dòng)自由端錨鏈，拉錨拉力根據(jù)錨爪、錨桿及錨鏈的質(zhì)量設(shè)置。此種驅(qū)動(dòng)方式完全符合錨機(jī)拉錨過(guò)程中的施力情況：在Motion模塊—運(yùn)動(dòng)算例屬性—設(shè)置模型三維接觸精度，在高級(jí)選項(xiàng)中設(shè)置Motion動(dòng)態(tài)仿真積分器類型、最大迭代次數(shù)、初始積分器步長(zhǎng)大小、最大積分器補(bǔ)償大小及最小積分器補(bǔ)償大小等參數(shù)。

3.2 仿真結(jié)果分析

啟動(dòng)Motion動(dòng)態(tài)仿真分析并輸出動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，錨爪、錨桿及錨鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。其中，圖6 b）在圖6 a）基礎(chǔ)上改變船首透明度以方便觀察錨桿和錨鏈在錨鏈筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6 拉錨試驗(yàn)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，在錨鏈通過(guò)錨唇下口時(shí)，始終保持有3個(gè)錨鏈與錨唇下口接觸，錨鏈與錨唇下口貼合緊密，未出現(xiàn)翻鏈、扭鏈等不理想情況。在錨桿進(jìn)入錨鏈筒的過(guò)程中，錨桿端部未與錨鏈筒內(nèi)壁發(fā)生碰撞，錨桿順利進(jìn)入錨鏈筒。當(dāng)錨爪到達(dá)設(shè)計(jì)既定的貼靠位置后，在錨機(jī)拉力的持續(xù)作用下，錨爪有向上滑移的趨勢(shì)，由于錨唇端面的止動(dòng)凸臺(tái)位于錨爪的兩個(gè)錨齒之間，阻礙了錨爪向上滑移，且增加的止動(dòng)凸臺(tái)并沒(méi)有改變錨鏈筒入口的大小，因此在拋錨時(shí)對(duì)錨桿從錨鏈筒內(nèi)滑出的運(yùn)動(dòng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生任何的影響和阻礙。

通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果對(duì)整個(gè)拉錨過(guò)程有了直觀了解。為進(jìn)一步分析拉錨過(guò)程瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，以自由端錨鏈及錨桿端部為分析對(duì)象，輸出其瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖7～8所示。

圖7 自由端錨鏈中心點(diǎn)相對(duì)模型原點(diǎn)位移

圖8 錨桿端部頂點(diǎn)速度

圖7中實(shí)線為自由端錨鏈中心點(diǎn)相對(duì)模型原點(diǎn)實(shí)際位移曲線，虛線為位移數(shù)據(jù)擬合后得出的線性結(jié)果：即實(shí)際拉錨速度約為0.16 m/s（即9.6 m/min），滿足錨機(jī)起錨速度要求。

圖8為錨桿端部頂點(diǎn)速度—時(shí)間圖。由圖8可知在錨爪貼合錨唇之前（使用定速線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)）錨桿端部速度在0.2 m/s附近波動(dòng)，在錨爪接近貼合錨唇時(shí)（使用恒拉力驅(qū)動(dòng)）錨桿端部速度劇增后劇減為0，此運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)符合錨桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

由動(dòng)態(tài)拉錨仿真結(jié)果及瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果可知：此種新型的錨唇型式，可以完全抑制錨爪向上滑移的趨勢(shì)，提高錨爪收靠的穩(wěn)定性。且基于SOLIDWORKS的計(jì)算機(jī)拉錨仿真擬真度極高，具有極高的可信度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的錨唇型式以解決錨唇頂部端面為平面時(shí)在錨機(jī)拉力下錨爪沿錨唇端面上滑導(dǎo)致錨冠和錨唇脫離問(wèn)題，并通過(guò)基于SOLIDWORKS的動(dòng)態(tài)拉錨仿真予以驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明此種新型的錨唇型式可完全抑制錨爪向上滑移趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，初步完成了基于SOLIDWORKS的計(jì)算機(jī)拉錨仿真方法的探索及總結(jié)，創(chuàng)新性地提出了速度控制結(jié)合力控制的驅(qū)動(dòng)方式，確保此拉錨仿真具有極高的擬真度及準(zhǔn)確度，同時(shí)解決了現(xiàn)有拉錨仿真中未能實(shí)現(xiàn)的錨鏈全模擬及錨機(jī)驅(qū)動(dòng)力全模擬等關(guān)鍵問(wèn)題。為進(jìn)一步完善該錨仿真方法，下一步仿真工作將圍繞不同摩擦因數(shù)、接觸剛度及拉錨速度下的拉錨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)比展開(kāi)。