錨唇受力分析

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

錨唇是位于錨鏈筒外板出口處，承受錨與錨鏈的碰撞力和摩擦并使錨穩(wěn)定貼合于收藏位置的似橢圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)[1]。錨唇為錨的收納提供貼合面，不直接承受錨重，但會(huì)承受錨的撞擊。錨唇作為錨鏈的通道，直接承受錨鏈的壓迫和摩擦。錨唇受力取決于錨和錨鏈的運(yùn)動(dòng)情況。以艏錨為例，當(dāng)船舶處于錨泊狀態(tài)時(shí)，錨泊力使船舶達(dá)到平衡狀態(tài)，在風(fēng)浪的作用下，錨鏈會(huì)彈跳撞擊錨唇。拋錨和收錨時(shí)，錨鏈和錨由于自重下落，對(duì)錨唇形成壓力和摩擦。航行中，錨受風(fēng)浪作用，并撞擊錨唇。在極端狀態(tài)下，錨鏈斷裂，或?qū)﹀^唇有一定的沖擊。錨和錨鏈運(yùn)動(dòng)的不確定性，增加了錨唇受力分析的難度。錨唇的強(qiáng)度分析需要了解確定的錨唇受力。已有研究對(duì)對(duì)錨泊狀態(tài)時(shí)錨唇進(jìn)行受力分析，利用錨鏈破斷力，推導(dǎo)出錨唇所受正壓力的計(jì)算公式，并估算錨唇受力極值為錨鏈破斷力的50%[2]。該方法受限于錨泊狀態(tài)，所以，一般引用錨鏈破斷力作為評(píng)估錨唇受力的直接因素。本文綜合錨泊、拋錨和收錨、錨存、斷鏈等實(shí)際情況，對(duì)錨唇受力進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 錨泊狀態(tài)錨唇受力

圖1 錨鏈懸垂?fàn)顟B(tài)受力

不走錨時(shí)，H0與H相當(dāng)，由此導(dǎo)出A點(diǎn)的錨鏈張力為

(1)

式中：w為錨鏈在海水中的單位長(zhǎng)度質(zhì)量負(fù)荷；y為拋錨深度。

H0包含錨的水平抓力及臥底錨鏈作用力[3]：

H0=Ha+Hc=λaWa+μcwlc

(2)

式中：λa為錨在抓力系數(shù)；Wa為錨在海水中的質(zhì)量負(fù)荷；μc為臥底錨鏈的摩擦系數(shù)；w為錨鏈在海水中的單位長(zhǎng)度質(zhì)量負(fù)荷；lc為臥底錨鏈長(zhǎng)度。

由于錨和錨鏈在海水中的質(zhì)量負(fù)荷為其在空氣中質(zhì)量負(fù)荷的87%，假定錨自身重力為G，錨鏈單位長(zhǎng)度的自身重力c，A點(diǎn)錨鏈張力為

T=0.87(λaG+μcclc+cy)

(3)

錨鏈張力由錨抓力、臥底錨鏈作用力和懸垂錨鏈作用力組成。

拋錨完畢后，掣鏈器拉緊錨鏈，錨鏈獲得最佳定位角度，以保證錨泊力完全傳遞給船舶，減少損耗。在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，錨鏈與掣鏈器鏈輪相切，該切線(xiàn)與錨鏈筒中心線(xiàn)保持一致，錨鏈由于柔性特點(diǎn)將不會(huì)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。以錨唇為界，錨鏈被分為上部錨鏈和下部錨鏈，上部錨鏈沿錨鏈筒中心線(xiàn)處于張緊狀態(tài)，下部錨鏈處于懸鏈狀態(tài)，錨鏈張力T與上述A點(diǎn)錨鏈張力一致。假定錨鏈筒中心線(xiàn)與水平之間的夾角為α，錨唇處錨鏈切線(xiàn)的水平角度為θ，上、下部錨鏈在錨唇處夾角為β(β=180°-(θ-α))，見(jiàn)圖2，則錨唇受力為

(4)

錨唇受力和錨鏈張力與(θ-α)相關(guān)，其中，可將(θ-α)看做錨鏈在錨唇處的偏轉(zhuǎn)角度。

“法制”與“法治”有著區(qū)別和聯(lián)系。一方面，“法制”是指法律制度的綜合，是中性的和靜態(tài)的，其作為一種國(guó)家統(tǒng)治工具，既可能出現(xiàn)在“人治”社會(huì)，也可能出現(xiàn)在“法治”社會(huì)。“法治”是指立法、執(zhí)法、司法、守法、普法等各個(gè)環(huán)節(jié)的有機(jī)統(tǒng)一，是褒義的和動(dòng)態(tài)的，表征一個(gè)社會(huì)的法律治理。另一方面，“法制”是“法治”的基礎(chǔ)。有了相對(duì)完備的法律制度才能更好地實(shí)現(xiàn)法律治理。相應(yīng)的，從“法制教育”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺ㄖ谓逃?，意味著我?guó)的普法教育要從知識(shí)層面提升到理念、文化和信仰層面。特別是在農(nóng)村這樣的熟人社會(huì)特點(diǎn)猶存、遺風(fēng)陋俗仍然存在和人口法律素養(yǎng)相對(duì)落后的地區(qū)，要實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村的振興，該理念的轉(zhuǎn)變就顯得更為重要。

圖2 錨泊狀態(tài)錨唇受力示意

當(dāng)θ<α?xí)r，錨鏈作用力F為負(fù)值，錨鏈會(huì)向錨唇上部靠近，船舶相對(duì)水平移動(dòng)，此時(shí)需要增加錨鏈長(zhǎng)度或改變上述偏轉(zhuǎn)角度，重新建立平衡。

當(dāng)θ>α?xí)r，錨鏈合力F為正值，下部錨唇將受到壓迫。在錨泊設(shè)計(jì)中，α一般在30°～60°范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)際錨泊狀態(tài)，參照臥底錨鏈長(zhǎng)度計(jì)算方法可知θ一般在20°～60°之間[4-5]。

2 拋錨和收錨狀態(tài)錨唇受力

2.1 拋錨過(guò)程中錨鏈張力

拋錨過(guò)程分為3個(gè)階段:①錨入水之前，錨鏈和錨勻速垂直下落，錨鏈張力由錨重力和錨鏈長(zhǎng)度重力組成;②錨入水但未達(dá)海底面之前，入水錨鏈長(zhǎng)度不斷增加，錨和錨鏈?zhǔn)芎Ｋ×ψ饔茫^鏈張力為拋錨深度上錨和錨鏈的負(fù)荷組成。隨著水深的增加，該階段錨鏈張力最終將大于第一階段錨鏈張力;③錨接觸底質(zhì)后，錨水平抓力不斷增大以抵消外界環(huán)境力，錨鏈長(zhǎng)度繼續(xù)增大，最終狀態(tài)趨同于錨泊狀態(tài)，錨鏈張力達(dá)到最大。

第三階段可借助于錨泊狀態(tài)獲得最大錨鏈張力。此前階段錨鏈張力可視為拋錨深度上錨的質(zhì)量負(fù)荷和錨鏈的質(zhì)量負(fù)荷之和，即

T=0.87(G+cy)

(5)

2.2 收錨過(guò)程中錨鏈張力

收錨同樣分為3個(gè)階段：①錨鏈被錨機(jī)不斷收起，錨離開(kāi)底質(zhì)之前，錨鏈由錨泊狀態(tài)的懸鏈狀態(tài)變?yōu)槔睜顟B(tài)，錨鏈張力迅速減小為拋錨深度的錨鏈負(fù)荷；②起錨到錨被拉出水面，此階段錨自身特點(diǎn)被錨鏈拉離底質(zhì)，錨鏈張力瞬間增大，此后隨著錨鏈被進(jìn)一步收起，錨鏈張力有所變小；③錨被拉出水面并逐漸被固定在儲(chǔ)藏位置，錨鏈張力由錨的質(zhì)量負(fù)荷和錨鏈的質(zhì)量負(fù)荷組成。收錨過(guò)程幾乎是與拋錨的逆過(guò)程，錨鏈張力的變化及判定參見(jiàn)式(5)。

2.3 拋錨和收錨狀態(tài)錨唇受力

不同于錨泊狀態(tài)，拋錨和收錨過(guò)程中由于錨鏈和錨的自重作用，錨鏈錨鏈在通過(guò)錨唇后向下處于垂直狀態(tài)，與錨鏈筒內(nèi)張緊的錨鏈形成固定夾角，從而對(duì)下部錨唇造成壓迫。為求簡(jiǎn)化，仍假設(shè)錨鏈筒內(nèi)張緊的錨鏈沿著錨鏈筒中心，錨唇受力狀態(tài)見(jiàn)圖3。錨鏈張力T見(jiàn)式(6)，錨唇受力為

(6)

錨唇受力取決于錨鏈張力和錨鏈筒中心線(xiàn)的水平夾角α。

圖3 拋錨和收錨狀態(tài)錨唇受力示意

3 其他狀態(tài)錨唇受力

3.1 錨存狀態(tài)錨唇受力

船舶航行時(shí)，錨處于收納狀態(tài)，錨頂部通過(guò)錨鏈被止鏈器閘刀卡住，錨用擎錨索鎖緊。大風(fēng)浪中，海浪對(duì)船體的撞擊會(huì)使船舶產(chǎn)生抖動(dòng)，并使錨產(chǎn)生一定的動(dòng)量，極易造成錨的松脫。如果錨與錨唇?jīng)]有緊密貼合，錨被海浪托起，錨沿著錨鏈筒向上運(yùn)動(dòng)，并以一定加速度撞向錨唇。

如圖4所示,假定錨以加速度a沿錨鏈筒向上運(yùn)動(dòng)并撞擊錨唇，其重力為G，撞擊力F為

(7)

圖4 錨運(yùn)動(dòng)時(shí)錨唇受力示意

錨唇所受撞擊力與錨自身質(zhì)量和加速度相關(guān)。

假設(shè)錨于錨唇緊密貼合，兩者相對(duì)距離為0.1 m，錨相對(duì)于錨唇的速度為0。在海浪作用下，錨在0.3 s內(nèi)完成對(duì)錨唇的撞擊，此時(shí)的加速度相當(dāng)于重力加速度的20%。

當(dāng)錨被收納拉緊瞬間，并完全貼合于錨唇表面，錨由運(yùn)動(dòng)改為靜止，對(duì)錨唇也有一定的撞擊作用。拋錨時(shí)，打開(kāi)擎錨索瞬間，錨由于自重向下運(yùn)動(dòng)，錨桿對(duì)錨唇產(chǎn)生一定的撞擊。上述操作一般借助機(jī)械控制，較為平緩，錨和錨桿的加速度將不會(huì)大于波浪中錨的加速度。

3.2 極端狀態(tài)錨唇受力

當(dāng)環(huán)境力發(fā)生突變，錨泊力跟隨增大，錨鏈張力發(fā)生劇增，或可引起錨鏈斷裂。起錨一旦發(fā)生卡錨和錨被纏繞的現(xiàn)象，如若強(qiáng)行拉錨，易造成錨鏈斷裂、錨機(jī)受損等事故，應(yīng)當(dāng)極力避免。

錨鏈張力大于錨鏈破斷力時(shí)，錨鏈會(huì)發(fā)生斷裂，屬于極端狀態(tài)。從船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況看，錨鏈斷裂一般位于其薄弱處，或腐蝕嚴(yán)重，或錨鏈裂痕，或插銷(xiāo)斷裂，錨鏈張力遠(yuǎn)未達(dá)到錨鏈破斷力。根據(jù)止鏈器的制造說(shuō)明，止鏈器的支持負(fù)載應(yīng)與試驗(yàn)負(fù)荷相當(dāng)，為錨鏈破斷力的80%。即使新錨鏈發(fā)生斷裂，錨鏈張力也不會(huì)超過(guò)錨鏈破斷力。

對(duì)于錨唇，如果錨鏈在錨唇接觸部位或者附近斷裂，那么在斷裂前的一瞬間對(duì)錨唇的作用力將達(dá)到極值。極端狀態(tài)下，錨尚未離開(kāi)底質(zhì)，錨鏈被拉直或接近垂直狀態(tài)，錨唇受力情況見(jiàn)圖5。

圖5 極端狀態(tài)錨唇受力示意

此狀態(tài)與錨泊狀態(tài)類(lèi)似，錨唇受力為

(8)

式中：P為錨鏈破斷力；(θ-α)為錨鏈偏轉(zhuǎn)角度，其中θ一般大于60°。

4 錨唇受力極值

錨的重力、錨鏈長(zhǎng)度、錨鏈重力、錨鏈破斷力和錨的加速度都會(huì)影響錨唇受力。為了確定錨唇受力極值，為錨唇的強(qiáng)度分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)，需要根據(jù)每條船的實(shí)際情況進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化過(guò)程，選取幾型船舶進(jìn)行分析，艏錨質(zhì)量與錨鏈規(guī)格及長(zhǎng)度通常按照船級(jí)社規(guī)范要求選取，見(jiàn)表1。

表1 船型基本參數(shù)

借鑒大型船舶錨泊經(jīng)驗(yàn)及以往計(jì)算研究[6-8]，假定錨抓力系數(shù)為8，拋錨深度為100 m，臥底錨鏈長(zhǎng)度為6～10節(jié)，臥底錨鏈摩擦系數(shù)為0.75。各種狀態(tài)下錨唇受力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，正常錨泊時(shí)錨鏈張力較大，錨鏈在錨唇處的偏轉(zhuǎn)角度較小，錨唇受力大小僅為錨鏈張力的17%左右。拋錨和收錨時(shí)，錨鏈處于垂直狀態(tài)，錨唇受力大小將達(dá)到錨鏈張力的70%～80%，但此時(shí)錨鏈張力僅為錨泊狀態(tài)錨鏈張力的20%，錨唇受力相對(duì)前者較小。當(dāng)錨以一定加速度撞擊錨唇，撞擊力可與拋錨時(shí)錨唇受力相當(dāng)，甚至更大。極限狀態(tài)下，錨唇受力大小約為錨鏈張力的40%～50%，個(gè)別將達(dá)到60%，假定此時(shí)錨鏈張力為錨鏈破斷力的80%，那么錨唇受力將達(dá)到錨鏈破斷力的50%。

表2 各狀態(tài)錨唇受力對(duì)比

5 結(jié)論

不同狀態(tài)下錨唇受力計(jì)算表明，錨的重力、水中錨鏈長(zhǎng)度、錨鏈重力和錨的加速度都會(huì)影響錨唇受力，錨鏈角度和錨鏈筒自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)也會(huì)影響錨唇受力。借鑒船舶錨泊研究和實(shí)際錨泊經(jīng)驗(yàn)，選取不同船型，深入分析錨唇受力極值問(wèn)題，結(jié)果顯示，錨唇受力極限約為錨鏈破斷力50%，此數(shù)據(jù)可直接用于錨唇的極限強(qiáng)度分析。