船舶拉錨試驗仿真系統(tǒng)研究

陳 寧, 吳尚華

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

錨泊系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)中重要的組成部分,是船舶停泊必不可缺的部分,不論船舶在侯泊、避風(fēng)、檢疫還是在錨地從事裝卸作業(yè)等工作,均需要進行拋錨.據(jù)統(tǒng)計,船舶在海上營運過程中,特別是在狹窄水道、通航分割區(qū)和港內(nèi)等發(fā)生碰撞事故較多.因此,要保證船舶的營運安全,錨泊系統(tǒng)的安全性和可靠性不可忽視.目前，國內(nèi)造船企業(yè)在船舶錨系的設(shè)計上,大部分都是依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗知識,然后根據(jù)設(shè)計方案制作一定比例的船艏以及錨的木模進行試驗,根據(jù)木模拉錨試驗的結(jié)果對錨鏈筒和錨唇的位置和形狀進行修正,重復(fù)試驗,確保實船時該錨泊系統(tǒng)能夠正常工作.然而,每次調(diào)整設(shè)計結(jié)果后,都必須重新制作木模,不僅需要花費大量的人力物力,而且可能需要很長的試驗周期才能達到船東和船級社的要求[1].隨著數(shù)字化造船的快速發(fā)展,CAD/CAE技術(shù)的廣泛應(yīng)用,人們可以通過在三維設(shè)計環(huán)境下對船舶錨系進行實體建模,運用虛擬樣機分析軟件,對船舶錨系設(shè)備進行動態(tài)運動仿真,分析試驗結(jié)果,修改試驗方案,排除設(shè)計缺陷,從而達到縮短船舶錨系設(shè)計周期,降低設(shè)計成本,提高設(shè)計質(zhì)量的目的.

1 Solid Works二次開發(fā)

Solid Works是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng),是由美國Solid Works公司在總結(jié)和繼承了大型機械CAD軟件的基礎(chǔ)上,在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的一款機械三維CAD軟件,具有豐富的零件實體建模功能.同時,為了便于用戶進行二次開發(fā),Solid Works提供了幾百個API函數(shù),這些函數(shù)是Windows的OIE或cOM接口,用戶可以使用VB/VBA/VC++等多種編程語言進行二次開發(fā),建立適合用戶需要的、專用的Windows模塊.拉錨試驗仿真系統(tǒng)包括建錨模塊、建錨鏈模塊、船艏模塊、錨鏈筒模塊、以及仿真試驗?zāi)K[2].同時,建立錨、錨鏈等標(biāo)準件數(shù)據(jù)庫,方便數(shù)據(jù)的查詢、把零件的參數(shù)保持到數(shù)據(jù)庫中.圖1為拉錨試驗仿真流程.

圖1 拉錨試驗仿真流程Fig.1 Anchor experiment simulation process

由圖1可知，將船舶拉錨系統(tǒng)劃分為船體模塊、錨鏈模塊、錨模塊、錨鏈筒模塊和數(shù)據(jù)庫等5部分.

船體模塊:主要記錄船舶的各種基本參數(shù),便于用戶對某船舶形成最基本的認識和了解,掌握該船的主要參數(shù),包括船長、型深、型寬、設(shè)計吃水、作業(yè)吃水、船舶類型、船舶圖片、等參數(shù).

錨鏈模塊:主要記錄錨鏈的直徑、錨鏈總長、單側(cè)錨鏈的節(jié)數(shù)等.

錨模塊:主要包括錨的類型、錨的重量、錨主體結(jié)構(gòu)參數(shù)等.

錨鏈筒模塊:主要記錄錨鏈筒的長度、錨鏈筒的內(nèi)外壁厚度、錨鏈筒的安裝角度等信息.

數(shù)據(jù)庫模塊:負責(zé)數(shù)據(jù)的保存、查詢、修改等功能.系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫,利用Visual C++6.0實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、管理以及調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù).在船舶拉錨仿真系統(tǒng)中錨鏈、錨和錨鏈筒之間的參數(shù)有一定關(guān)聯(lián),把設(shè)計中所查詢的數(shù)據(jù)和信息存儲到數(shù)據(jù)庫中,可以方便設(shè)計人員設(shè)計.圖2為船舶拉錨試驗仿真系統(tǒng).

圖2 拉錨仿真系統(tǒng)插件Fig.2 Anchor simulation system plugin

2 Solid Works建立模型

文中選取的研究對象是一艘49 000 DWT成品油船,該油輪總長184.95 m,型寬32.2 m,型深19.2 m,主機最大持續(xù)功率8 520 kW;主要用于裝載閃點60°C 以下的成品油;航速為14.3 kn,續(xù)航力12 000 nmile,屬無限航區(qū)的船舶,按中國船級社的入級標(biāo)準建造，表1為主尺度和參數(shù).

表1 49 000 DWT成品油船主尺度和參數(shù)Table 1 Size and parameters of 49 000 DWT oil product carrier

2.1 錨系主要部件建模

文中是依托某49 000 DWT成品油船的實船數(shù)據(jù),參數(shù)化建立三維模型,以供進行船舶拉錨仿真試驗,驗證設(shè)計方案的可行性.

考慮到仿真系統(tǒng)只和船首部分產(chǎn)生干涉.船體的船首部分通常都是復(fù)雜的三維曲面,其形狀由船體的型線圖決定,是船體建模中最復(fù)雜的部分[3].圖3為船艏模型.

圖3 船艏模型Fig.3 Ship stem model

2.2 錨及錨鏈三維建模

選用建立機構(gòu)的三維模型,先對錨-錨鏈-錨唇進行分析,并根據(jù)該船的規(guī)格書和舾裝說明書對選用的錨和錨鏈進行標(biāo)準化建模,然后利用裝配模塊完成船體和錨-錨鏈的裝配.該船選用斯貝克錨,錨重為8 700 kg.圖4為斯貝克錨模型,圖5為錨和錨鏈的裝配體模型.

圖4 斯貝克錨Fig.4 Spek type anchor

圖5 錨和錨鏈的裝配體Fig.5 Assembly of anchor and anchor chein

2.3 錨鏈筒和錨臺加錨唇的建模

錨鏈筒設(shè)計的好壞直接影響船舶起拋錨過程中是否可以順利進行.確定錨鏈筒的角度問題成為了錨泊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵[4-5].該船錨的收藏形式是錨唇加錨臺的形式.圖6為錨鏈筒和錨的裝配體.

1)該船有球鼻艏,使用斯貝克錨,錨鏈筒中心線與側(cè)面的夾角θ1應(yīng)在40°～45°范圍內(nèi)取值,該模型取值為42.6°.

2)平面角度θ2首甲板布置了分離起錨機,θ2=0.

圖6 錨鏈筒和錨的裝配體Fig.6 Assembly of hawse pipe and anchor

3)根據(jù)海船錨泊系統(tǒng)規(guī)范,錨鏈筒中心和外板的切線平面交角θ3≤55°;對于首部線型較肥大的船舶,θ3最大可取90°,但錨鏈筒中心與貓眼切線平面交角應(yīng)≤55°.

3 錨系統(tǒng)運動學(xué)基本方程

錨系運動過程是典型的變質(zhì)量運動體系,錨系運動部件由錨鏈和錨的組成,錨鏈是由N個錨鏈環(huán)組成,當(dāng)錨鏈從錨鏈筒拋落到進入水中,體系內(nèi)錨鏈環(huán)數(shù)量不斷變化,把體系的勢能一部分轉(zhuǎn)化為動能,一部分為通過錨及錨鏈環(huán)對水面發(fā)生碰撞接觸的損失.

變質(zhì)量系統(tǒng)動能的變化取決于外力和內(nèi)力做的總功.非保守外力對系統(tǒng)做功,使外界其他形式的能與系統(tǒng)機械能之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)換,一對非保守內(nèi)力對系統(tǒng)做功,系統(tǒng)內(nèi)的機械能與系統(tǒng)內(nèi)其他形式的能之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)換[6].

當(dāng)內(nèi)力做負功時,系統(tǒng)的機械能有一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)其他形式的能量,此時,系統(tǒng)內(nèi)有的機械能損失,損失的機械能Q由內(nèi)力做功WI來衡量.

(1)

當(dāng)非保守外力和內(nèi)力對系統(tǒng)做的總功為負時,整個系統(tǒng)有機械能損失,損失機械能由非保守外力WE和內(nèi)力WI做的總功來衡量.

(2)

式(1,2)中:m為變質(zhì)量主體質(zhì)量;F1為作用在主體上的外力;F2為作用在微元上的外力;v為主體的速度；u為微元和主體合并前的瞬時速度；(dr-dr′)為再生微元的位移.

變質(zhì)量系統(tǒng)由于系統(tǒng)質(zhì)量不斷的和外界交換(系統(tǒng)增加或者減少),因此可以把系統(tǒng)變化的過程進行微元分割.

設(shè)主體和流物體所受外力分別為F和f,運用質(zhì)點組動量定理：

(3)

對拋錨滑鏈過程分析:根據(jù)密舍爾斯基方程,錨鏈和錨從錨鏈筒中拋出過程,由于系統(tǒng)隨著錨和錨鏈進入水中,系統(tǒng)質(zhì)量可看做逐步減少,因此屬于質(zhì)量減少的變質(zhì)量問題.設(shè)某時刻主體的質(zhì)量為m.以后時刻主體的質(zhì)量不斷減少,系統(tǒng)的外力為重力.代入密舍爾斯基方程:

(4)

對起錨提鏈過程分析:根據(jù)密舍爾斯基方程,錨鏈從水中提升起來到收回到錨鏈艙中這個過程,屬于質(zhì)量增加情況下的變質(zhì)量問題.假設(shè)某時刻主體的質(zhì)量為m(巳被提起的部分),以后時刻主體的質(zhì)量不斷增加.系統(tǒng)外力為錨機拉力F1、拉起部分鐵鏈的重力G1，以及水對錨鏈的力F2,代入密舍爾斯基方程:假設(shè)錨鏈環(huán)是均勻密度ρ,g為重力加速度.

(5)

在拉錨過程中,分別對恒拉力情況下錨系的運動v-S關(guān)系進行仿真(圖7),恒定速度的情況下,錨系所受拉力F進行仿真.在恒定拉力的情況下,拉力F設(shè)定為F=1.25*M*g,其中M為錨和錨鏈的質(zhì)量.F=1.25*(8 700+8 397)*9.8=209 438.25 N.設(shè)定錨鏈筒與錨鏈環(huán)之間的靜摩擦系數(shù)為0.2,動摩擦系數(shù)為0.1.

圖7 速度v與位移S的關(guān)系Fig.7 Relation of speed and displacement

在恒定速度情況下,以10 m/min速度提升錨直到錨收藏好.拉力F與錨鏈運動位移S的關(guān)系如圖8.

圖8 拉力F與位移S的關(guān)系Fig.8 Rrlation of tensile force and displacement

4 49 000 DWT某船拉錨仿真試驗

在三維裝配圖中對模型進行干涉檢測,保證其運動的可行性、正確性,調(diào)整好錨鏈和錨鏈筒、錨的初始位置.給錨鏈、錨、錨鏈筒等添加材料屬性.然后,設(shè)置兩個物體之間的運動副和載荷,設(shè)置錨-錨鏈和錨爪-錨桿-錨卸扣零部件之間的約束形式、運動副類型、接觸力以及設(shè)定重力.

把添加好約束的模型,利用Solid Works中motion模塊仿真起拋錨的運動過程,完成拉錨試驗過程.仿真過程中設(shè)定：錨從錨鏈筒中拋下進入水的過程中只受重力和錨鏈筒與錨鏈之間的摩擦力(忽略風(fēng)、波浪、海流等環(huán)境力的作用)作用,通過圖9可以看到錨從錨鏈筒中拋出后的運動軌跡.錨從錨鏈筒拋出到入水的整個仿真過程;同時,當(dāng)錨從水面收回到錨鏈筒的過程中,錨以恒定速度運動(在使用額定拉力時的絞錨平均速度應(yīng)不小于9 m/min),在收錨過程中,錨受到錨機輸出的拉力、錨和錨鏈的重力，錨鏈在錨鏈筒運動過程中產(chǎn)生的摩擦力.在船舶收錨時,合理的拉錨速度無疑對錨成功貼合至關(guān)重要.拉錨速度過快,伴隨著船舶晃動,船錨必然會磕碰船體,或者發(fā)生卡死現(xiàn)象,更有甚者會造成人身傷亡事故.因此,拉錨速度的確定和優(yōu)化是非常重要的[7-8].

通過測量錨在運動過程中與船體外殼的最小距離,得到該距離為1 902.23 mm,滿足設(shè)計要求(圖10).

通過測量錨在運動過程中與船舶球鼻艏的最小距離,得到該距離為977.63 mm,滿足設(shè)計要求(圖11).

通過測量在運動過程中,錨在船體橫傾1.5°時,與球鼻艏的最小距離,得到該距離為350 mm,滿足設(shè)計最大回轉(zhuǎn)半徑大于等于300 mm的要求(圖12).

圖9 錨運動軌跡Fig.9 Motion trail of the anchor

圖10 錨與船體外殼的最小距離Fig.10 Minimum distance between anchor and hull

圖11 錨與球鼻艏最小距離Fig.11 Miminum distance between anchor and bulbous bow

圖12 橫傾1.5°時錨與球鼻艏的最小距離Fig.12 Minimum distance between anchor and bulbous bow when heeling angle is 1.5°

在船舶錨系設(shè)計的過程中,錨鏈筒以及錨唇的設(shè)計最為關(guān)鍵,其設(shè)計的好壞直接影響到船舶營運的安全.通過在Solid Works simulation模塊中進行運動仿真.錨在拋出過程中,只受重力作用,做自由落體運動.運動過程中測錨與船體表面未發(fā)生碰撞,與球鼻艏的距離滿足設(shè)計要求.當(dāng)錨被收起時未發(fā)生卡錨現(xiàn)象,同時,錨和錨唇貼合緊密(圖13).

圖13 錨和錨唇的貼合Fig.13 Anchorand anchor mouth joint

5 結(jié)論

以某49 000 DWT成品油船為例,使用SolidWorks軟件對49 000 DWT成品油船船艏及錨系部分進行三維建模,并運用SolidWorks軟件中simulation模塊對拉錨過程進行運動學(xué)仿真,根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計,給物理樣機模型試驗提供可靠的參考意見,有效提高了工作效率,同時節(jié)省了企業(yè)的時間和費用.

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