無錨臺(tái)或錨穴的船舶錨系設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

蔣 江郭學(xué)峰

（1.江蘇新時(shí)代造船有限公司 靖江214514；2.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 大連116600）

無錨臺(tái)或錨穴的船舶錨系設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

蔣 江1郭學(xué)峰2

（1.江蘇新時(shí)代造船有限公司 靖江214514；2.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 大連116600）

傳統(tǒng)的船舶通常設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或者錨穴，以便錨與錨穴或錨臺(tái)（錨唇）很好地貼合，但如能利用船舶首部的結(jié)構(gòu)外飄型線，通過不設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或錨穴，而讓錨冠及錨爪直接與外板接觸，便能有效降低船舶的建造成本并縮短建造周期。然而這樣對于船舶首部的型線設(shè)計(jì)、錨端鏈節(jié)設(shè)計(jì)、錨型式的選擇、錨冠及錨爪接觸處外板強(qiáng)度等要求都不同于傳統(tǒng)。文章以國外示例，結(jié)合實(shí)船效果展示，對無錨臺(tái)（錨唇）或錨穴的船舶錨系設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，通過逆向工程分析并充分利用三維仿真設(shè)計(jì)軟件，在滿足入級船級社規(guī)范要求的前提下，探索出無錨臺(tái)（錨唇）或錨穴的船舶錨系設(shè)計(jì)方法。

無錨臺(tái)（錨唇）或錨穴；錨系改進(jìn)設(shè)計(jì)；三維仿真軟件

引 言

海船首部通常設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或者錨穴，用來實(shí)現(xiàn)錨的收存，也保證錨爪和錨冠能與船體很好地貼合，防止錨晃動(dòng)。然而，船舶設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或者錨穴也給船舶設(shè)計(jì)及建造帶來了一定的困難：

（1）設(shè)計(jì)困難。由于錨臺(tái)（錨唇）或者錨穴形式特殊，加上船舶首部線型復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)很困難，需要進(jìn)行木模試驗(yàn)來驗(yàn)證詳細(xì)設(shè)計(jì)的可行性；同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對錨鏈筒的位置和錨臺(tái)、錨穴的形狀進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)需要反復(fù)多次，耗時(shí)較久。

（2）生產(chǎn)及建造困難。由于錨臺(tái)或錨穴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（整個(gè)外形以曲面為主，線型復(fù)雜），因此給生產(chǎn)及建造帶來一定難度。

通過學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的錨系布置，我們發(fā)現(xiàn)該船沒有錨臺(tái)或者錨穴，錨冠及錨爪直接與外板接觸。如能在船舶設(shè)計(jì)初始階段充分利用船舶首部的型線，通過設(shè)計(jì)合理的大外飄船體型線，不設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或錨穴而讓錨冠及錨爪直接與外板接觸（見圖1），既可簡化設(shè)計(jì)，又縮短了船舶建造周期。對于50 000 t的船舶則可以減少船舶質(zhì)量15 t左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖1 國外某實(shí)船（錨與外板直接接觸）

船舶首部不設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或錨穴，對于船舶首部的型線設(shè)計(jì)、特殊錨端鏈節(jié)設(shè)計(jì)、錨型式的選擇、錨冠及錨爪接觸處外板強(qiáng)度等都不同于傳統(tǒng)船舶設(shè)置錨臺(tái)或者錨穴時(shí)的要求。

下面結(jié)合實(shí)例，從幾個(gè)方面對無錨臺(tái)（錨唇）或錨穴的船舶錨系設(shè)計(jì)及應(yīng)用分別進(jìn)行闡述。

1 首部型線設(shè)計(jì)

通常船舶首部型線是復(fù)雜的三維曲面，該曲面由不同形狀的橫剖面和水線面組成。船舶首部型線設(shè)計(jì)包括：結(jié)構(gòu)吃水線以下型線和結(jié)構(gòu)吃水線以上型線，該設(shè)計(jì)直接影響到首部結(jié)構(gòu)的外飄大小。

船舶結(jié)構(gòu)吃水線以下型線主要考慮船舶航行的水動(dòng)力性及航速，這里不作修改。

船舶首部不設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或錨穴，則首部型線需要特別設(shè)計(jì)，這里主要考慮結(jié)構(gòu)吃水線以上型線及首部的剖面形狀。

在設(shè)計(jì)船舶結(jié)構(gòu)吃水線以上型線及首部的剖面形狀時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）首部甲板上系泊及錨泊設(shè)備、其他通風(fēng)設(shè)備等布置所需的面積，以滿足設(shè)備的使用要求為總原則；

（2）船舶航行時(shí)上浪影響（如甲板外飄較大），可能會(huì)產(chǎn)生較大飛濺，從而增加船舶航行的阻力；

（3）過大的首部結(jié)構(gòu)外飄可能引起船舶較大的橫、縱搖加速度、局部砰擊和頻繁的濺水現(xiàn)象、需要增加建造材料的使用；

（4）從船舶美觀性、觀賞性角度來設(shè)計(jì)首部的外飄；

（5）首部型線（錨鏈筒通過其舷側(cè)出口處的水線面）的設(shè)計(jì)，盡可能保證錨鏈筒軸線垂直于該水線面；

（6）首部橫剖面型線需要考慮錨與外板的貼合，為后期錨的選擇做準(zhǔn)備。

綜上所述，在設(shè)計(jì)船舶首部結(jié)構(gòu)吃水線以上型線時(shí)，需要選用合理的外飄（以基本滿足首部系泊及錨泊設(shè)備的布置為原則）并適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)吃水線以下橫剖面的寬度，以便船舶在橫傾1°收放錨操作時(shí)，錨不與外板相碰［1-2］，從而使優(yōu)化后的船體濕表面積變化很小，并且粘性阻力無明顯變化，通過減小興波阻力來改善船舶航行的總阻力。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，我們初步設(shè)計(jì)了某一實(shí)船首部型線，見下頁圖2。

圖2 實(shí)船首部型線設(shè)計(jì)示例

該設(shè)計(jì)首部錨與外板接觸處型線外飄較大，該處型線充分考慮下一步采用錨與外板的貼合。

2 特殊錨端鏈節(jié)設(shè)計(jì)

船舶首部沒有設(shè)置錨臺(tái)，錨冠及錨爪直接與外板接觸，導(dǎo)致錨鏈筒的長度減少。通常錨鏈筒的設(shè)計(jì)長度需要滿足容納錨桿及與錨連接的錨鏈末端部分。

與錨連接的錨鏈末端部分通常包括：錨卸扣、末端卸扣、末端鏈環(huán)、加大鏈環(huán)、轉(zhuǎn)環(huán)（或者轉(zhuǎn)環(huán)卸扣）、末端鏈環(huán)、加大鏈環(huán)（或者錨卸扣、末端卸扣）、末端鏈環(huán)、轉(zhuǎn)環(huán)等，它們與錨鏈的普通鏈節(jié)（長約27.5 m，包含普通鏈環(huán)及肯特卸扣）連接。

由于錨鏈筒的長度減少，所以我們修改了傳統(tǒng)錨與錨鏈的連接方式，僅保留轉(zhuǎn)環(huán)卸扣，使其直接與普通鏈環(huán)及肯特卸扣連接。這樣一方面可以滿足錨鏈筒長度減少的實(shí)際情況，另一方面可以減少鏈節(jié)的型式，降低成本，也有利于船東將來維修，使錨鏈前后節(jié)非常方便地進(jìn)行倒換。修改后的錨鏈節(jié)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 修改后的錨端鏈節(jié)設(shè)計(jì)

3 錨型式的選擇

由于上述的設(shè)計(jì)錨與首部船體外板直接接觸，船體首部外板沒有錨唇，而普通無桿轉(zhuǎn)爪錨（如Spek等）其錨冠處的導(dǎo)向裝置（斜鐵）影響錨冠及錨爪與外板接觸，為此我們采用焊接大抓力錨如Pool、 德宏錨等（見圖4）。該形式錨目前不常使用。

圖4 德宏錨三維效果圖

4 三維仿真軟件模擬拉錨試驗(yàn)

船舶首部不設(shè)置錨臺(tái)（錨唇）或錨穴，設(shè)計(jì)錨鏈筒的位置及角度時(shí)需特別考慮。錨鏈筒設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾個(gè)原則：

（1）錨鏈在經(jīng)過錨鏈筒時(shí)只受拉力，鏈環(huán)不受彎曲，錨鏈筒上下端口應(yīng)有大曲率半徑的保護(hù)圓鋼；

（2）在收錨時(shí)，錨桿能順利進(jìn)入錨鏈筒；放錨時(shí)易于脫離錨鏈筒，保證錨鏈筒的角度。

根據(jù)上面的設(shè)計(jì)使用三維仿真軟件模擬驗(yàn)證改進(jìn)后錨系設(shè)計(jì)的可行性，這里使用三維設(shè)計(jì)軟件Rhino進(jìn)行船體外板及錨、錨鏈筒的三維模型設(shè)計(jì)，具體步驟如下：

（1）根據(jù)已知的橫剖面型線建立相關(guān)的肋位圖；

（2）建立不同吃水的水線面；

（3）根據(jù)上述不同的橫剖面、縱剖面型線將船體外板光順；

（4）根據(jù)錨廠家圖紙，建立錨模型；

（5）錨鏈筒與外板出口處設(shè)置直徑60 mm左右的圓鋼；

（6）在錨爪及錨冠與外板接觸處設(shè)置不銹鋼加厚板（防止錨與外板貼合作業(yè)刮傷外板油漆）；

（7）模擬驗(yàn)證錨與外板的貼合及收放錨。

拉錨試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)仿真的目的是為驗(yàn)證錨、外板型線及錨鏈筒的設(shè)計(jì)是否合理，確保錨在上升途中不與船體發(fā)生碰撞，錨在收緊后能與外板緊密貼合。

錨在收進(jìn)錨鏈筒以及與外板在貼合過程中容易發(fā)生的問題有：

（1）收錨時(shí)，錨鏈筒中心線和外板間夾角過小。使錨鏈筒的外板出口長軸過大，收錨時(shí)錨冠上的一塊耳板被拉入筒口，發(fā)生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）收錨時(shí)，錨桿上端與筒口卡住，錨桿進(jìn)不了錨鏈筒的現(xiàn)象。這是由于錨鏈筒中心線的側(cè)面角過大，或是錨鏈筒外板出口處過于陡直。產(chǎn)生上述不良情況的大部分原因在于沒有選擇與船體型線相匹配的錨鏈筒中心線側(cè)面角和水平角。

本實(shí)船模型調(diào)整后的模型見圖5。

圖5 三維模型設(shè)計(jì)效果圖

5 錨冠及錨爪與外板接觸處的外板強(qiáng)度校核

錨泊的主要作用是在錨地或者港池內(nèi)限制船舶的活動(dòng)范圍（此時(shí)系泊系統(tǒng)不起作用），使其不會(huì)隨意漂流。因此要保證船舶在受到外力的作用下進(jìn)行漂移時(shí)，拋出的錨泊線下端總能相切于水底，充分發(fā)揮錨的抓力，防止走錨。

5.1 作用在船舶錨系結(jié)構(gòu)的外力計(jì)算［3］

每米錨鏈鏈長在水中的質(zhì)量約為87%錨鏈自重。

錨鏈筒出口處錨鏈張力（作用于船體結(jié)構(gòu)）根據(jù)選用的錨鏈直徑92 mm選用。

5.2 錨鏈筒及外板的結(jié)構(gòu)模型

錨鏈筒及外板結(jié)構(gòu)受力頻繁的地方在錨鏈筒上下經(jīng)常接觸點(diǎn)，收緊錨鏈過程中，錨鏈筒圓鋼下經(jīng)常接觸點(diǎn)受力。收緊錨時(shí)，錨爪受到錨機(jī)的拉緊力，使錨貼緊錨唇結(jié)構(gòu)。

根據(jù)船舶入級規(guī)范建議要求，將船體結(jié)構(gòu)采用板格單元，結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格尺寸定義為50×50， 邊界條件為剛性固定。

5.3 有限元結(jié)果與分析

許用應(yīng)力值，按照入級LR規(guī)范要求［4］：σ_all=160 N/mm2τ_all=90 N/mm2

由于錨與外板貼合處外板的受力不是經(jīng)常重復(fù)的，故不存在結(jié)構(gòu)疲勞工況。

示例船錨鏈的張力計(jì)算：

錨鏈筒出口處錨鏈張力（作用于外板結(jié)構(gòu)）T=作用在船舶的環(huán)境合力+錨鏈在水中的自重×船舶距海底深度

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力值滿足強(qiáng)度要求。對外板結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分和應(yīng)力云圖見下頁圖6［5］。

圖6 有限元應(yīng)力云圖

6 實(shí)際效果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)以及計(jì)算的結(jié)果送審LR船級社和船東，獲得通過。目前該項(xiàng)設(shè)計(jì)已應(yīng)用于實(shí)船（見圖7）。

圖7 實(shí)際效果圖

7 結(jié) 論

本文對無錨臺(tái)（錨唇）或者錨穴船舶錨系設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，對船舶的首部型線設(shè)計(jì)、錨端鏈節(jié)設(shè)計(jì)、錨型式的選擇以及錨鏈筒處外板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面也作了分析，并提出相應(yīng)的計(jì)算方法和思路。希望能對類似設(shè)計(jì)提供一些參考。

［1］CBZ 280-2011 海船艏錨泊設(shè)計(jì)導(dǎo)則［M］.北京：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院出版社，2011.

［2］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（舾裝分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［3］陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1998.

［4］英國勞式船級社.英國勞式船級社船舶規(guī)范 ［S］.2014.

［5］王杰德，楊永謙.船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

信息動(dòng)態(tài)

全球首艘用乙烷作為燃料的液化氣體運(yùn)輸船首制船成功交船

11月初，由中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）完成詳細(xì)設(shè)計(jì)的36 000 m3液化氣運(yùn)輸船首制船成功交付。

該船全長188.3 m、型寬29 m、型深17.5 m、設(shè)計(jì)吃水9.5 m、結(jié)構(gòu)吃水10 m、服務(wù)航速18.6 kn。該船液貨艙總?cè)莘e約36 000 m3，包括3個(gè)C型獨(dú)立艙，罐體采用5%鎳鋼，艙內(nèi)設(shè)計(jì)溫度零下104℃。該船液貨艙呈星形三體狀，采用該設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐，相比同尺寸的傳統(tǒng)船舶，能夠增加30%的裝載能力。該船采用的新型發(fā)動(dòng)機(jī)可用燃油、LNG和乙烷作為燃料，這將是世界首艘用乙烷作為燃料的遠(yuǎn)洋船舶。該船生活樓布置于船體首部區(qū)域，如此設(shè)計(jì)除大幅改善駕駛視線之外，還能優(yōu)化船體配置、優(yōu)化壓載水使用，且降低了油耗和排放。

Design and application of ship anchoring system without bell mouth or anchor pocket

JIANG Jiang1GUO Xue-feng2
(1.Jiangsu New century shipbuilding, Jinjiang 214514, China; 2.COSCO Shipyard Technical Center, Dalian 116600, China)

The bell mouth and anchor pocket are often set up on the traditional seagoing ships to make sure the anchor will well fit to the anchor pocket or bell mouth.Whereas the bell mouth or anchor pocket can also be removed by utilizing the flare line of the ship bow.Therefore, the anchor crown and anchor fluke can directly contact with the shell plating, which can significantly reduce the construction cost and shipbuilding cycle.However, it should fulfill the requirements different from the traditional ones for the ship bow lines design, swivel piece design, anchor type selection, strength at the location that anchor crown and the anchor fluke contacted with the shell plating, etc.In this paper, the ship anchoring system design method is investigated by pertinently referring to the foreign examples together with the demonstration of the full scale ship.In order to meet the classification society regulations, the design method is finally worked out through the reverse engineering analysis and the 3D simulation software.

without bell mouth or anchor pocket; improvement design of anchoring system; 3D simulation software

U664.4

A

1001-9855（2016）06-0094-05

2016-06-30；

2016-09-04

蔣 江（1973-），男，工程師，研究方向：船舶舾裝件設(shè)計(jì)與研究。郭學(xué)峰（1971-）, 男 ，高級工程師，研究方向：船舶、海洋工程船結(jié)構(gòu)、舾裝設(shè)計(jì)。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.094