倪偉平,曾巍,陳瑩霞

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

錨泊設(shè)計(jì)一般包括錨設(shè)備選型、錨設(shè)備布置與安裝、固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)與外部條件等因素,錯(cuò)綜復(fù)雜[1-2]。CB/Z280—2011《海船艏錨泊設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(以下簡稱《導(dǎo)則》)可作為錨泊設(shè)計(jì)的指導(dǎo)文件[3],同時(shí),還應(yīng)根據(jù)船舶自身特點(diǎn)提供相匹配的錨泊設(shè)計(jì)。第四代82 000 DWT散貨船(以下簡稱本船)是上海船舶研究設(shè)計(jì)院最新設(shè)計(jì)的升級(jí)版卡爾薩姆型散貨船,在多家船廠獲得批量訂單。雖為批量建造船舶,入級(jí)不同船級(jí)社,但不同船東對(duì)錨泊設(shè)計(jì)提出不同要求,比如,一些船東提出按照大抓力錨配置取代斯貝克錨配置;一些船東要求在船舶橫傾2°時(shí)錨與船體間距至少為500 mm;一些船東提出船舶在橫傾5°時(shí)錨不得與船體碰撞;一些船東甚至增加了不利縱傾為1.5 m的要求。不論采用斯貝克錨還是大抓力錨,不論錨與船體定位如何,船廠更希望盡量減少對(duì)相關(guān)布置和固定結(jié)構(gòu)的修改,以減少船體放樣工作量。介紹本船的錨泊設(shè)計(jì)過程,包括錨設(shè)備選型和錨設(shè)備布置,評(píng)估校核錨與船體相對(duì)位置,關(guān)注錨的收納與檢驗(yàn),為批量船建造提供相匹配的錨泊設(shè)計(jì)。

1 錨設(shè)備選型

錨設(shè)備選型時(shí),錨和錨鏈應(yīng)根據(jù)入級(jí)船級(jí)社相關(guān)章節(jié)要求和IACS REC. 10關(guān)于錨泊、系泊和拖帶的規(guī)則[4],按照基于船舶自身主尺度計(jì)算所得的舾裝數(shù)進(jìn)行選擇;錨機(jī)應(yīng)與錨鏈相匹配,并滿足可能航行的巴拿馬運(yùn)河要求和蘇伊士運(yùn)河要求來確定其運(yùn)轉(zhuǎn)速度;掣鏈器和棄錨器應(yīng)與錨鏈直徑相匹配,擎錨索型號(hào)則取決于錨的重量。

本船船長229 m,垂線間長225.5 m,船寬32.26 m,型深20.35 m,結(jié)構(gòu)吃水14.5m,最輕載狀態(tài)下首部吃水約為4.95m,尾部吃水約為7.28 m。綜和上述尺寸及相關(guān)信息,確定舾裝數(shù)在3 600～3 800之間,錨泊設(shè)備配置見表1。

表1 錨泊設(shè)備配置信息

2 錨泊布置

2.1 錨泊布置原則

根據(jù)前三代82 000 DWT散貨船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),具有肥大型船首的船舶不宜采用錨穴,錨鏈的長度決定錨鏈艙的最小艙容,錨鏈筒的布置和錨臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定錨的收納位置以及錨鏈與船體的相對(duì)位置,錨的形式?jīng)Q定錨唇的外形,錨泊布置受限于船體線型與甲板空間。

《導(dǎo)則》對(duì)錨泊布置原則有明確說明。

1)錨拉起收藏后一般要求盡量高于滿載水線2 m以上。

2)拋錨時(shí),錨應(yīng)能依靠自身的重量,毫無阻礙地從錨鏈筒拋出。

3)錨鏈筒在船體船體出口位置應(yīng)盡可能避開船體分段焊縫。

4)起錨時(shí),錨桿應(yīng)能無障礙拉進(jìn)錨鏈筒,且錨桿拉進(jìn)錨鏈筒后錨爪應(yīng)緊貼船體或錨唇或藏于錨穴中。

5)錨鏈筒的長度應(yīng)能容納全部錨桿和部分錨鏈?zhǔn)锥随湱h(huán)。

6)若無特殊要求,船體與錨的間隙(以錨的回轉(zhuǎn)半徑為衡量基準(zhǔn))要滿足船舶縱傾2%兩柱間長和橫傾1°錨收放時(shí)都不碰到船體,且在正態(tài)時(shí)船體與錨的間隙不小于300 mm,或僅正態(tài)時(shí)船體與錨的間隙不小于1 000 mm,取小者。

實(shí)際上錨泊布置的核心是為錨鏈和錨設(shè)計(jì)合理的收放路線,并在該路線上合理布置錨設(shè)備,綜合考慮船體特點(diǎn)和空間利用等要求。錨機(jī)、擎鏈器等設(shè)備布置于甲板面,需要一定空間,應(yīng)盡量緊湊布置,為甲板面系泊操作留出充足空間。錨鏈較長,其基本單元鏈環(huán)尺寸相對(duì)較小,可視為線;錨作為錨鏈端部的幾何體,利用幾何元素進(jìn)行描述;船體設(shè)計(jì)時(shí)借助水線、橫剖線表達(dá)其外型。基于上述簡化,通常利用二維視圖描述錨泊布置。

2.2 錨泊布置方案

本船采用直首線型,設(shè)有首樓,首樓甲板作為系泊操作區(qū)。參照上述設(shè)計(jì)原則,借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),根據(jù)本型船首部線型特點(diǎn),兼顧首樓甲板系泊設(shè)備等布置要求,以斯貝克錨為例確定初步錨泊布置方案(以右舷為例,左右舷對(duì)稱),見圖1。

圖1 初步錨泊布置方案

錨絞機(jī)布置于首樓甲板后方,確定錨鏈路徑與船中的夾角為50°,確保正浮狀態(tài)下錨和錨鏈在下放時(shí)與船體外板近乎垂直,形成鏈輪中心線和和錨鏈筒中心線所在對(duì)稱面,即A-A剖面,并借助A-A剖面顯示錨鏈和錨的收納狀態(tài)。存儲(chǔ)于錨鏈艙內(nèi)的錨鏈通過錨絞機(jī)鏈輪和擎鏈器后轉(zhuǎn)向進(jìn)入開口于首樓甲板的錨鏈筒,并在其內(nèi)部與錨相連,錨則貼合于錨鏈筒端部的錨唇表面,錨唇借助錨臺(tái)和錨鏈筒固定于船體。錨鏈筒上端起于首樓甲板面,向下傾斜穿過主甲板和船體外板與錨臺(tái)相連,錨鏈筒傾斜角度為56°(圖1顯示垂直夾角為34°),其中心線與船體交點(diǎn)距基線高度約為20.12 m,同時(shí)確定錨鏈筒、錨唇、錨臺(tái)相關(guān)尺寸,錨鏈筒長度約6 554 mm。圓形錨鏈艙從首樓甲板向下延伸至船體結(jié)構(gòu)平臺(tái),底部污泥艙,錨鏈艙直徑與深度可滿足錨鏈存儲(chǔ)要求。棄錨器位于錨鏈艙艙壁上約1 m處,方便人員在主甲板操作。

圖1所述的錨泊布置方案(方案一)中錨鏈筒和錨唇結(jié)構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)斯貝克錨的收納,但對(duì)于大抓力錨并不適用,原因在于斯貝克錨與大抓力錨構(gòu)造完全不一樣。斯貝克錨的錨桿較長,錨爪形狀相對(duì)復(fù)雜;大抓力錨的錨桿通常粗短,錨爪形狀簡單;收納狀態(tài)下,斯貝克錨的錨爪和錨桿之間夾角為40°,大抓力錨的錨桿與錨爪之間夾角為35°。兩種錨結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖2。

圖2 斯貝克錨與大抓力錨結(jié)構(gòu)對(duì)比

本船配置大抓力錨時(shí),需要根據(jù)大抓力錨的特點(diǎn)重新確定錨泊布置方案。為了減少改動(dòng),特別是對(duì)船體內(nèi)部的改動(dòng),以方案一為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整。錨鏈筒在船體內(nèi)的部分保持不變,只在端部進(jìn)行調(diào)整,針對(duì)大抓力錨的外形設(shè)置相應(yīng)的錨唇錨臺(tái)結(jié)構(gòu),由此獲得相對(duì)應(yīng)的錨泊布置方案(方案二),其A-A剖面見圖3。相對(duì)方案一,該方案中錨鏈筒在船體外的長度略有減小,錨唇和錨臺(tái)外形發(fā)生變化,錨唇與錨臺(tái)的分界面與錨鏈筒之間的角度變小,錨唇表面平面部分增大。此外還應(yīng)根據(jù)錨桿和錨鏈的設(shè)置調(diào)整止鏈器的定位。

圖3 方案二A-A剖面

2.3 錨與船體間距核對(duì)

錨與船體之間的間距,船舶橫傾一般不大于5°,縱傾狀態(tài)可按照導(dǎo)則要求。利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理,假定船體不動(dòng),把錨和錨鏈看做運(yùn)動(dòng)物體,同時(shí)沿用簡化手段將錨鏈看作直線,利用剖面線或水線表示船體,錨則借助最大回轉(zhuǎn)半徑這一參數(shù),實(shí)際采用最大回轉(zhuǎn)圓周(以下簡稱回轉(zhuǎn)圓周)。回轉(zhuǎn)圓周中心隨上述直線變化而變動(dòng),可直接模擬錨與錨鏈的運(yùn)動(dòng),回轉(zhuǎn)圓周與各剖面或水線之間的間距則可表示錨與船體的相對(duì)位置。

以方案一為例,借助A-A剖面,核對(duì)錨在下放過程中與船體的間距,見圖4。

圖4 針對(duì)方案一的錨與外板間距示意

錨垂直下放時(shí),與船體最小間距1 040 mm;當(dāng)船體橫傾2°時(shí),與船體最小間距752 mm;當(dāng)船體橫傾5°時(shí),與船體最小距離180 mm。當(dāng)錨與船體外板間距最小時(shí),錨距離基線高度在6～8 m之間,錨下放最小高度約為9.43 m,高于最輕載吃水。

A-A剖面并非錨下放時(shí)所在位置對(duì)應(yīng)的橫剖面,但相較上述橫剖面更適合作為判定基準(zhǔn)面,此時(shí)可借助不同水線說明,見圖5。

圖5 方案一錨與船體外板間距判定水平示意

假定錨在下放前其回轉(zhuǎn)中心與距離各水線間距約為a,該中心距離各水線的正橫間距為b,距離各水線的縱向?yàn)閏,由于A-A剖面與各水線近乎垂直,可以判定a總小于b和c,因此A-A剖面處錨與船體外板的間距最小。當(dāng)船舶首尾柱間長和最大水線長度相當(dāng)時(shí),如按照導(dǎo)則考慮船舶縱傾,根據(jù)幾何原理,確認(rèn)錨因縱傾影響造成的縱向位移量最大不超過錨下落高度的2%,因而推算錨因橫傾造成的水平位移。錨下放高度為9.43 m時(shí),錨距離基線8 m,船體以8 000水線表示,由船體縱傾引起的水平位移最大約為189 mm,橫傾5°時(shí)最大水平位移量約為825 mm,按照上述位移調(diào)整回轉(zhuǎn)圓周的定位,則回轉(zhuǎn)圓周與船體型線間距為248 mm,比A-A剖面顯示的最小間距略小。當(dāng)錨下放高度為11.43 m時(shí),錨距離基線6 m,船體以6 000水線表示,由船體縱傾引起的水平位移最大約為229 mm,橫傾5°時(shí)最大水平位移約為1 000 mm,按照上述位移調(diào)整回轉(zhuǎn)圓周的定位,則回轉(zhuǎn)圓周與船體型線間距為277 mm,同樣小于A-A剖面中顯示的最小間距。

經(jīng)判定,圖1所示的錨泊布置方案滿足船東關(guān)于錨與船體相對(duì)位置的要求,高于導(dǎo)則要求。

同樣可借助三維手段進(jìn)行判定,比如參照文獻(xiàn)[5]的方法建立以錨回轉(zhuǎn)圓周為基礎(chǔ)的圓柱面,模擬錨下放過程中的活動(dòng)范圍,在船體三維模型中確定明確表達(dá)錨與船體最小間距的曲線。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)要求調(diào)整船體三維模型的橫傾和縱傾狀態(tài),判定圓柱與船體外板之間是否干涉即可確定錨在下放過程中是否與船體相碰。利用該方法核對(duì)方案二中錨是否與船體碰撞,假定設(shè)計(jì)條件為船體橫傾5°并伴有2%兩柱間長的縱傾狀態(tài),見圖6。

圖6 方案二錨與船體外板的相對(duì)位置示意

利用錨回轉(zhuǎn)圓周核對(duì)錨與船體間距的方法基于簡化手段和二維平面,方便快捷;建立船體和錨活動(dòng)范圍圓柱,依賴完整的三維模型,相對(duì)復(fù)雜,但更加直觀。

2.4 錨的收納與檢驗(yàn)

現(xiàn)有檢驗(yàn)方法：①傳統(tǒng)的基于木質(zhì)模型的拉錨試驗(yàn);②基于三維軟件的動(dòng)態(tài)仿真[6-7]。

采用動(dòng)態(tài)仿真對(duì)方案一進(jìn)行檢驗(yàn),通過拉錨動(dòng)畫,可以看出錨與錨唇的貼合情況,見圖7。

圖7 斯貝克錨動(dòng)態(tài)仿真模擬

仿真模擬表明,錨桿在進(jìn)入錨唇區(qū)域后繼續(xù)向上移動(dòng),直至完全進(jìn)入錨鏈筒內(nèi),錨沿著錨唇表面繼續(xù)向上移動(dòng),錨爪最終貼合在錨唇上表面,錨冠貼合于錨唇下表面,錨桿收納于錨鏈管內(nèi)部,錨和錨鏈中心線相對(duì)布置圖的中心位置要偏上。

利用傳統(tǒng)拉錨試驗(yàn)對(duì)方案二進(jìn)行檢驗(yàn),建立一定比例縮放錨唇、錨臺(tái)和錨鏈筒模型,利用人工拉動(dòng)同等比例的錨鏈和錨進(jìn)行運(yùn)動(dòng),觀察收錨和拋錨的過程,見圖8。

圖8 大抓力錨拉錨試驗(yàn)信息

最終錨中心區(qū)域位于錨唇表面,錨鏈和錨桿相對(duì)布置圖的中心線位置偏高一點(diǎn);拋錨時(shí)錨桿能夠順利脫離錨鏈筒端部,無卡錨現(xiàn)象。

檢驗(yàn)表明,兩種布置方案滿足設(shè)計(jì)要求,可以保證錨的收納和順暢釋放;錨的最終收納位置比布置圖中定位要偏上,建議調(diào)整錨上部曲線,使錨唇上部提前對(duì)錨爪起到支撐限位作用,從而使理論布置與實(shí)際定位相吻合。

3 結(jié)論

錨泊設(shè)計(jì)屬于功能性設(shè)計(jì),考慮因素較多,可依據(jù)導(dǎo)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí),還應(yīng)根據(jù)船舶特點(diǎn)設(shè)置相匹配的錨泊設(shè)計(jì)方案。其中錨泊布置不是錨設(shè)備的簡單布置與安裝,而是錨設(shè)備之間的相互配合、錨設(shè)備對(duì)船體結(jié)構(gòu)的高效利用和固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置,為不同形式的錨和錨鏈提供合理的運(yùn)動(dòng)路線。

將錨、錨鏈和船體進(jìn)行簡化,借助二維平面,利用錨回轉(zhuǎn)圓周核對(duì)錨與船體間距,是快速核對(duì)錨在拋錨和收錨過程中是否與船體相碰撞的重要方法。利用錨回轉(zhuǎn)圓周建立的圓柱面模擬錨運(yùn)動(dòng)范圍,通過判斷圓柱面與船體是否干涉確定錨與船體是否相碰撞,更加直觀。

建立錨、錨唇、錨鏈筒的三維模型,進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真或拉錨試驗(yàn)都可對(duì)錨的收納和釋放進(jìn)行檢驗(yàn),還可以間接輔助錨唇修改,實(shí)現(xiàn)理論布置和實(shí)際應(yīng)用更好的有機(jī)結(jié)合。