小型海船錨系布置快速性設(shè)計(jì)方法研究

王 僑 張明霞 王運(yùn)龍，2 包文婧 管 官

1大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶CAD工程中心，遼寧大連116024 2大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024

小型海船錨系布置快速性設(shè)計(jì)方法研究

王 僑1張明霞1王運(yùn)龍1，2包文婧1管 官1

1大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶CAD工程中心，遼寧大連116024 2大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024

由于《海船艏錨泊設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（CB／Z 280－2011）只適用于載重2 000 t以上的鋼質(zhì)海船，未對(duì)小型海船的錨泊設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)，故小型海船的錨泊設(shè)計(jì)需另尋方法。在總結(jié)小型海船錨系布置設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)小型海船錨鏈筒的布置即使反復(fù)調(diào)整其空間位置也難以滿足對(duì)其長(zhǎng)度的要求等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)錨鏈筒位置的幾何模型進(jìn)行分析，采用解析幾何法解決了錨鏈筒的定位；基于CAD二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了錨鏈筒最優(yōu)位置確定。經(jīng)驗(yàn)證，該方法速度快，能滿足小型海船錨系布置的要求。

小型海船；錨系布置設(shè)計(jì)；二次開發(fā)

1 引言

我國(guó)工業(yè)和信息化部于2011年6月15日頒布了 《海船艏錨泊設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（CB／Z 280－2011），并將于2011年10月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施是船舶制造發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)標(biāo)志，也是一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)上升到理論高度的指導(dǎo)性文件，它規(guī)定了鋼質(zhì)海船艏錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)、組成、布置原則和設(shè)計(jì)要求。該標(biāo)準(zhǔn)只適用于載重2 000 t以上的鋼質(zhì)海船艏錨泊系統(tǒng)的配置和布置設(shè)計(jì)，不適用于工程船的特種船舶艏部錨泊系統(tǒng)［1］，也未針對(duì)小型海船的錨設(shè)備布置設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。載重2 000 t以上鋼質(zhì)海船的艏部甲板面積和布置空間較大，可給錨系設(shè)備布置帶來(lái)很大的靈活性，而小型海船為了滿足船舶快速性的要求，其艏部空間往往較小，能否合理地利用艏部空間便成為錨設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。以往海船艏錨的設(shè)計(jì)都是在結(jié)合實(shí)際母型船和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這就給設(shè)計(jì)人員造成了設(shè)計(jì)上的麻煩增加了重復(fù)性工作。在船舶的營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，因人員上下、裝卸貨物、補(bǔ)充給養(yǎng)、躲避風(fēng)暴、等候泊位、接受檢疫以及避碰避讓的需要，船只都必須停泊［2］，而錨系設(shè)備是使船舶牢固停泊的關(guān)鍵部分。航運(yùn)時(shí)，一旦走錨，其就不可能恢復(fù)至原位，若不及時(shí)采取有效措施，就會(huì)造成巨大損失［3］。在船舶設(shè)計(jì)中，錨系的布置設(shè)計(jì)對(duì)總布置設(shè)計(jì)的優(yōu)劣具有一定的影響，尤其是錨鏈艙位置的選定對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大。錨設(shè)備一般包括艏部錨設(shè)備和艉部錨設(shè)備，而小型民船，特別是小型海船極少布置有艉部錨設(shè)備。錨系設(shè)計(jì)種類繁多，對(duì)于艏部錨設(shè)備而言，布置的核心就是合理確定錨鏈筒的位置，只有合理地確定了錨鏈筒的位置以后，才能確定錨系其他設(shè)備的位置。

2 錨設(shè)備設(shè)計(jì)

目前，錨設(shè)備的布置設(shè)計(jì)通常是在總布置圖、型線圖和錨鏈艙的位置基本確定之后進(jìn)行，一般先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與總布置圖確定錨機(jī)的位置，然后再根據(jù)防撞艙壁的位置確定錨鏈艙的位置，待錨機(jī)與錨鏈艙的位置確定以后再確定錨鏈筒的位置。在進(jìn)行艏部錨設(shè)備的布置設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)滿足以下3點(diǎn)要求：

1）拋／起錨應(yīng)靈活。在收錨時(shí)，錨桿應(yīng)能不受阻礙地進(jìn)入錨鏈筒，且錨爪要與船殼 （或錨穴后板）貼緊，錨冠貼緊錨唇；拋錨時(shí)，錨應(yīng)能依靠其自身的重量毫無(wú)阻礙地從錨鏈筒中拋出［4］。

2）錨鏈筒舷側(cè)開口應(yīng)有相當(dāng)?shù)母叨取Ｆ疱^以后，為了使露在筒口外面的錨冠部分不引起水波而增加船舶阻力，錨鏈筒的舷側(cè)開口應(yīng)高出滿載水線一定的距離，且距艏柱也應(yīng)有一定的距離，以免錨收起后，錨冠突出艏柱。

3）對(duì)有球鼻的船，在拋／起錨時(shí)，錨與船體球鼻之間的距離應(yīng)盡可能大，以避免船體反方向橫傾2°時(shí)碰到球鼻艏，其最小距離應(yīng)大于或等于300 mm［5］。

錨系在貼合的過(guò)程中容易發(fā)生的問(wèn)題主要有：

1）由于錨鏈筒中心線與外板間的夾角過(guò)小，致使錨鏈筒的外板出口長(zhǎng)軸過(guò)大，或由于錨唇上部高度過(guò)低，收錨時(shí)錨冠上的一塊耳板被拉入筒口，從而出現(xiàn)錨桿下部與筒口卡住、錨桿上部與錨鏈筒內(nèi)壁卡住的現(xiàn)象。

2）由于錨鏈筒中心線與外板間夾角過(guò)大，錨冠與錨唇下端互相脫離。

3）收錨時(shí)，錨桿上端與筒口卡住，錨桿進(jìn)不了錨鏈筒。這是由于錨鏈筒中心線的側(cè)面角過(guò)大，或是錨鏈筒外板出口處過(guò)于陡直［6］。

在進(jìn)行錨設(shè)備設(shè)計(jì)前，需要進(jìn)行錨及系泊計(jì)算而得到舾裝數(shù)，然后再根據(jù)舾裝數(shù)選取所需的錨鏈直徑以及所需錨的類型與重量。

3 錨鏈筒位置的確定

錨鏈筒位置和角度的確定是錨設(shè)備布置設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到船舶的操作安全。由于小型海船的艏部空間有限，因此在布置錨鏈筒時(shí)需反復(fù)調(diào)整其空間位置，以滿足規(guī)范對(duì)其長(zhǎng)度的要求。在錨收起的過(guò)程中，實(shí)際上存在2種情況：一種是錨桿始終不與錨鏈筒上壁發(fā)生接觸；另一種是錨桿與錨鏈筒上壁接觸，但仍能順利起錨［7］。但建造完工的船舶，或是在進(jìn)行拉錨實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到操作不暢通的錨，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是錨鏈筒的布置設(shè)計(jì)不夠完善。

3.1 錨鏈筒位置確定的設(shè)計(jì)規(guī)則

錨鏈筒用于在船舶航行時(shí)存放錨柄，在起／拋錨時(shí)做錨鏈的通道。錨鏈筒的式樣與船舶的用途、船型以及選取的錨有很大關(guān)系。錨鏈筒的基本要求為［8］：

1）當(dāng)船舶向任何一舷傾斜5°時(shí)，任何一個(gè)艏錨在收起時(shí)都不應(yīng)卡住首柱和船底；

2）不論錨爪處于何種狀態(tài)，錨都應(yīng)能被拉進(jìn)錨鏈筒，且其錨爪應(yīng)貼緊船外板（或錨穴后板），錨冠貼緊錨唇；

3）被拖進(jìn)錨鏈筒的錨，在航行時(shí)不會(huì)沒入水中或掀起浪花，以免增加船舶阻力；

4）錨應(yīng)只需依靠其自身的重量便能無(wú)阻礙地從錨鏈筒中拋出；

5）錨鏈筒的筒身長(zhǎng)度應(yīng)足以安置錨柄和4節(jié)錨鏈；

6）舷側(cè)和甲板的錨唇（若有的話）在錨鏈通過(guò)部分應(yīng)有足夠大的圓弧，以使鏈環(huán)受到的彎折為最??；

7）在多層甲板船上，錨鏈筒在舷側(cè)處出口中心的位置應(yīng)使錨鏈筒的筒身不穿過(guò)下層甲板。

錨鏈筒的位置確定是錨設(shè)備布置的核心，小型海船由于艏部型線較消瘦，便給錨設(shè)備的布置設(shè)計(jì)增加了難度。下面將介紹錨鏈筒位置確定的計(jì)算原理。

從船體中心線至錨鏈筒軸線與甲板交點(diǎn)的距離a按式（1）計(jì)算，具體布置如圖1所示。

式中，α0為通過(guò)錨鏈筒軸線的垂直平面與船體中心線之間的夾角，（°）；c為臥式錨機(jī)兩線輪之間的距離，mm；d為錨鏈公稱直徑，mm。

從船舶艏端至錨鏈筒軸線與甲板交點(diǎn)之間的距離 b 按式（2）和式（3）確定。

對(duì)于首部型線豐滿的船舶：

對(duì)于首部型線一般的船舶：

小型海船若采用雙鏈輪臥式錨機(jī)，首部布置便會(huì)緊湊合理，其兩根錨鏈伸出方向的水平投影與船體中心線平行或者稍微成微小角度。一般小型船舶選取的角度范圍為 α0=0°～30°。若α0＞30°，在起錨時(shí)錨鏈便容易形成麻花狀，拋錨時(shí)錨鏈不容易下滑。當(dāng)錨鏈筒與水平面之間的角度α0設(shè)計(jì)得較小，錨鏈筒比較平緩時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大錨鏈筒的直徑，以便于順利地起／拋錨。同時(shí)，還應(yīng)特別注意錨鏈筒舷側(cè)出口處錨唇的型線［9］。在通過(guò)錨鏈筒軸線的垂直平面上，為了順利地拋／起錨，軸線與甲板的夾角應(yīng)為 β＝30°～60°（圖 2）。 小型海船的艏部型線一般較瘦削，故距離選用b＝（90～110）d。

3.2 錨鏈筒內(nèi)徑和錨鏈筒長(zhǎng)度的確定

通常， 錨鏈筒的內(nèi)徑取為 8.5～10.5倍的錨鏈直徑。其中，海船錨鏈筒的內(nèi)徑一般取10倍的錨鏈直徑。若大、小船都取10倍的錨鏈直徑，顯然不合理。吳振錕［10］根據(jù)實(shí)際的錨鏈材料，分析得出錨較小時(shí)內(nèi)徑偏小，錨較大時(shí)內(nèi)徑偏大的結(jié)論。但該取法的提出已比較久遠(yuǎn)，因當(dāng)時(shí)的船舶尺度均較小，錨鏈材料均為一級(jí)鋼，將錨鏈筒內(nèi)徑取為9倍的錨鏈直徑。對(duì)于直徑較小的錨鏈筒，其筒體可直接采用鋼管；對(duì)于直徑較大的錨鏈筒，其筒身由上下 2個(gè)部分組成。其中，上半體壁厚 t1≥0.4d，下半體壁厚t2≥0.65t1。對(duì)于小型海船，為便于取材、加工和建造，可以取上、下半體壁厚為t1≥0.4d，即錨鏈筒壁厚為8 mm。錨鏈筒的長(zhǎng)度不僅要能存放錨柄，而且還要存放與錨柄相連接的4節(jié)錨鏈，即末端卸扣、末端鏈環(huán)、加大鏈環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)，并且要使錨鏈轉(zhuǎn)環(huán)不得超過(guò)導(dǎo)鏈滾輪的中心線，或是不露出錨鏈筒外。對(duì)于小型海船的錨鏈筒，其船體外端一般不加錨臺(tái)或錨穴，而是在錨鏈筒周圍焊接一塊大的腹板，然后安裝錨唇，錨鏈通過(guò)處的錨唇圓弧半徑一般為8～10倍的錨鏈直徑。

3.3 編程實(shí)現(xiàn)錨鏈筒位置的確定

錨鏈筒位置的確定一直是小型海船舾裝設(shè)計(jì)中1項(xiàng)繁瑣而復(fù)雜的工作，因錨鏈筒、錨機(jī)、錨鏈管與錨鏈艙的位置是相互關(guān)聯(lián)的。首先，由于錨機(jī)的位置固定，錨鏈筒在甲板上的位置也大致固定。在經(jīng)由α0、β角度和錨唇高度的調(diào)整并滿足錨爪與外板貼緊后，錨鏈筒長(zhǎng)度的確定還需使錨鏈轉(zhuǎn)環(huán)不超過(guò)導(dǎo)鏈滾輪的水平中心線或者不露出錨鏈筒外［11］。錨鏈筒的長(zhǎng)度為錨柄長(zhǎng)與4節(jié)錨鏈長(zhǎng)之和，當(dāng)在甲板上選定了錨鏈筒的開口位置后，便根據(jù)錨鏈筒的長(zhǎng)度在外板上定位一個(gè)錨鏈筒出口。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)不同的型線設(shè)計(jì)錨鏈筒及錨唇的尺寸與形狀，然后再按照設(shè)計(jì)方案制造木模，最后，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與形狀進(jìn)行修正，直至達(dá)到理想的效果。該方法在每次調(diào)整設(shè)計(jì)方案后，都必須重新制造木模，并且需要不斷反復(fù)修正，不僅工作量大，浪費(fèi)人力、物力和時(shí)間［12］，而且還影響總布置設(shè)計(jì)，甚至導(dǎo)致不得不修改總布置圖。本文通過(guò)分析錨鏈筒位置的幾何關(guān)系，基于CAD二次開發(fā)編寫了1套確定錨鏈筒位置的程序，不僅能大大簡(jiǎn)化工作，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且還可縮短設(shè)計(jì)周期，為總布置設(shè)計(jì)爭(zhēng)取時(shí)間。

3.4 編程思想

船舶艏部具有雙曲度、相當(dāng)復(fù)雜的空間曲面［13］，因此，需要通過(guò)建立幾何模型來(lái)確定錨鏈筒的位置。

第一步 畫出錨鏈筒軸線所在垂直平面與船體相交的曲線，具體如下：

首先，根據(jù)總布置圖在半寬水線圖上標(biāo)出錨機(jī)的位置T后，從T點(diǎn)量取TQ＝b（取值范圍為1 500～2 000 mm），從Q點(diǎn)做船體中心線的線段QW＝a（由式（1）計(jì)算a的值），再過(guò) W點(diǎn)做傾角為α0的射線L，與各個(gè)半寬型線相交于點(diǎn)A1，A2，A3…An，射線L與船體中心線相交于點(diǎn)B1。

其次，以 B1為圓心，分別以 B1A1，B1A2，B1A3…B1An為半徑作圓（圖3），然后以 B1為原點(diǎn)，分別量取各個(gè)圓的半徑作為橫坐標(biāo)，各個(gè)半寬水線高h(yuǎn)n為縱坐標(biāo)來(lái)作曲線，即可得到錨鏈筒軸線所在垂直平面與船體相交的一組曲線S1。

最后，采用上述方法做出不同傾角α0時(shí)的曲線組 S1，S2，S3，…，Sn，如圖 4 所示。

圖4 斜剖面圖Fig.4 Inclined profile

第二步 確定錨鏈筒的最優(yōu)位置。

如圖5所示，有3條直線，其中L1為過(guò)錨鏈筒軸線的直線，L2為L(zhǎng)1向右平移n距離后得到的直線，L3為錨爪頂尖剛好在輪廓線上時(shí)，過(guò)錨爪軸線的直線。L1過(guò)點(diǎn)C與剖面輪廓線相交于點(diǎn)D，L2與剖面輪廓線相交于點(diǎn)A，L3與L1交于點(diǎn)B。設(shè)點(diǎn)A、點(diǎn) B 的坐標(biāo)分別為（x，y）和（p，q），點(diǎn) C 的坐標(biāo)為（0，h）（h為甲板上錨鏈筒中心距基線的高度）。

由如圖6所示的錨側(cè)視圖，得

直線平移距離：

由幾何關(guān)系，可以建立各個(gè)直線方程：

式（4）～（6）中，z為錨爪長(zhǎng)度，mm；n 為錨爪前端至錨柄的距離，mm；L4為直線L1平移的距離，mm；θ為錨鏈筒軸線與甲板邊線間的角度，（°）；ε為錨爪傾斜角度，（°）；α0為甲板面錨鏈筒軸線與中心線間的角度，（°）；h為 C點(diǎn)的垂向高度值，mm；Φ=π-ε－θ。

通過(guò)解方程組，可以求得點(diǎn)D、點(diǎn)B的坐標(biāo)，取得線段CB和CD，進(jìn)而求得DB的長(zhǎng)度和錨鏈筒長(zhǎng)度CD，從而通過(guò)計(jì)算多組數(shù)據(jù)進(jìn)行選優(yōu)。程序的可視化界面如圖7所示。

4 算 例

本文將以某400 t海監(jiān)船為算例進(jìn)行計(jì)算，其參數(shù)如表1所示。

圖7 程序界面圖Fig.7 Program Interface

表1 船舶主尺度Tab.1 Principal dimensions of the ship

該船選取2只霍爾錨，每只重570 kg，選取有檔錨鏈AM2-Φ24，全船錨鏈總長(zhǎng)302.5 m。因小型海船的艏部窄小，布置空間較小，為此，選取了1臺(tái)對(duì)稱式電動(dòng)起錨機(jī)。由于受艏部型線的影響，將錨機(jī)中心位置選取在防撞艙壁后面，為適應(yīng)布置和結(jié)構(gòu)的需要，將錨鏈艙也放在艙壁后。然后，確定錨鏈筒在甲板上的位置并進(jìn)行錨設(shè)備布置設(shè)計(jì)。

按照設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求，對(duì)于小型海船，b距船首的距離范圍為2 160～2 640 mm。但通常情況下，船舶也要考慮其自身的特殊性，如小型海船首部升高明顯、舷墻外飄且有球鼻艏等。對(duì)于這樣的船舶，對(duì)艏端的理解就不能僅僅是主甲板艏部最前端，而應(yīng)為從球鼻艏的凹面向船中量取的距離。但從實(shí)際的操作中發(fā)現(xiàn)，這樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)布置的需要，通過(guò)對(duì)漁政船和漁船的實(shí)際考察，根據(jù)實(shí)際的需要和布置的合理性以及以往的經(jīng)驗(yàn)，得到b的范圍為1 500～2 000 mm，完全適合小型海船錨鏈筒位置的要求。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果如下。

輸入條件：a＝413 mm，b＝1 500 mm，c＝826 mm，θ＝ 60°，α0=30°，ε＝ 38°，L＝ 1 042 mm，z＝ 732 mm。

傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果：設(shè)計(jì)中的錨桿空間可用長(zhǎng)度為2 297 mm，錨鏈筒長(zhǎng)度為1 930 mm，錨距船體367 mm。

程序計(jì)算結(jié)果：設(shè)計(jì)中的錨桿空間可用長(zhǎng)度為 2 275.37 mm， 錨鏈筒長(zhǎng)度為 1 909.57 mm，錨距船體 365.80 mm。

由于傳統(tǒng)的計(jì)算方法主要是由手工完成，因而不可避免會(huì)存在誤差，但從兩者的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，以幾何方法為原理的計(jì)算繪圖程序完全滿足工程需要。

5 結(jié) 語(yǔ)

小型海船錨系布置是實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)典型的問(wèn)題。本文在介紹小型海船錨系布置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)小型海船艏部布置空間緊張，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要反復(fù)調(diào)整其空間位置等問(wèn)題，基于CAD二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了錨鏈筒位置的確定。經(jīng)驗(yàn)證，該方法速度快，能滿足小型海船錨系布置要求。

［1］中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.CB／Z280-2011 海船艏錨泊設(shè)計(jì)指導(dǎo)［S］.北京：中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，2011.

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Anchoring Arrangement Design for Small Seagoing Ships Based on Fast Method

Wang qiao1Zhang Ming－xia1Wang Yun－long1，2Bao Wen－jing1Guan Guan1

1 Ship CAD Engineering Center， School of Naval Architecture Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China 2 State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

As Chinese ship design guideline for seagoing vessel’s bow anchoring CB／Z 280－2011 only applies to steel seagoing ship with 2 000 DWT and above， thus it’s necessary to find new design rules for those volumes less than 2 000 DWT.This paper summarized the characteristics of anchor equipment arrangement on small seagoing ships and found that even the spatial location were adjusted many times，it was still hard to meet the length demand of hawse pipe.Thus the paper proposed a method to determine the location by analytic geometry， after analyzing the geometric model of hawse pipe.Based on the secondary development of CAD， the optimum arrangement of hawse pipe was carried out.It is validated that the proposed method can effectively meet requirements of the anchoring arrangement in practice.

small seagoing ship； anchoring arrangement design； secondary development

U662.2

A

1673－3185（2012）02－86－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.016

2011-09-21

國(guó)家公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助（201003024）

王 僑（1981－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造。E-mail：wangqiaoduting＠163.com

張明霞（1969－ ） ，女，博士，副教授。 研究方向：船舶波浪動(dòng)穩(wěn)性機(jī)理研究。 E-mail：mxzhang＠dlut.edu.cn

張明霞。

［責(zé)任編輯：盧圣芳］