8000HP海洋救助拖船錨穴設(shè)計(jì)與三維模擬

吳鎮(zhèn)波 陽俊 李艷欽

摘 ? ?要：本文介紹了8000HP海洋救助拖船的錨穴設(shè)計(jì)，運(yùn)用Rhino三維軟件仿真模擬，分析拉錨過程的不利因素與控制要點(diǎn)，為實(shí)船拉錨試驗(yàn)提供一種前期預(yù)判的方法。

關(guān)鍵詞：錨穴;錨爪;大抓力錨

中圖分類號(hào)：U671.91?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Anchoring operation is one of the components of ship safety， and the key influencing factor is the design of anchor recess. This paper introduces the design of anchor recess of 8 000 HP tug， analyzes the disadvantages and control points of anchor pulling process by simulation with the Rhino 3D software during anchor pulling trial， so as to provide a method of early prediction for actual ship anchor pulling test.

Key words： Anchor recess; Anchor fluke; High holding power anchor

1 ? ?錨的選配

某8 000 HP海洋救助拖船，航行于我國近海航區(qū)，具備救助拖帶、應(yīng)急搶修、消防滅火、淡水供應(yīng)等多項(xiàng)功能。該船總長(zhǎng)65 m、型寬15 m、型深7.0 m、設(shè)計(jì)吃水5.5 m。根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》對(duì)該船舾裝數(shù)進(jìn)行計(jì)算，舾裝數(shù)取值范圍為720～780，應(yīng)配無桿首錨2只、每只質(zhì)量2 280 kg。

AC-14大抓力平衡錨是民用貨船和工程船常規(guī)選用的大抓力錨型式之一，它具有性能優(yōu)良、抓力大、能適應(yīng)各種泥沙底質(zhì)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。其錨折角為35°，錨頭和錨柄為鑄鋼件，錨卸扣為鑄鋼件或鍛鋼件，小軸、橫銷和封頭為鍛鋼件。根據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》的要求，選用大抓力錨時(shí)每只錨的質(zhì)量可為普通無桿錨質(zhì)量的75%，故本船選取2只1710kg的AC-14大抓力平衡錨作為首錨。

2 ? ?錨穴的設(shè)計(jì)

一般情況下，在繪制船舶總布置圖時(shí)會(huì)依據(jù)首部艙室和甲板的具體情況對(duì)錨泊設(shè)備的布置形式與位置進(jìn)行初步確定。此時(shí)，起錨機(jī)的形式和錨的收放方式也已初步確定。在進(jìn)行具體的錨穴設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)總布置圖、型線圖、起錨機(jī)、掣鏈器等圖紙對(duì)錨泊設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。其中，錨鏈筒、 錨穴是錨泊設(shè)備的重要組成部分，錨鏈筒與錨穴位置的確定是錨泊設(shè)備布置的關(guān)鍵，需要經(jīng)過不斷調(diào)整直至接近最佳位置。

2.1 ?錨鏈筒設(shè)計(jì)的原則

理想的錨泊設(shè)備布置，是錨機(jī)鏈輪與錨鏈筒的中心線在水平面的投影保持在同一直線上，且錨鏈筒在水平面的投影線垂直于錨鏈筒出口處的水線。這樣可大大簡(jiǎn)化錨鏈筒的設(shè)計(jì)，有利于錨的收放，同時(shí)使錨的拋落點(diǎn)最大遠(yuǎn)離船體外板。在大型船舶或首部甲板寬度較大的船舶上比較容易做到這點(diǎn)，但在小型船舶和瘦小型的甲板上則較為困難。

為了滿足上述要求，錨鏈筒相對(duì)于水平面和舯縱剖面的角度選取非常重要。假設(shè)相對(duì)于水平面的角度為α、相對(duì)于舯縱剖面的角度為β，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取α和β值在下列范圍內(nèi)較為適宜：

（1）α值：一般在45?～55?范圍內(nèi)。α值大，收拋錨方便，且錨鏈筒較長(zhǎng)便于容納錨桿;但往往會(huì)造成舷側(cè)錨鏈筒開口過低、拋錨時(shí)容易碰觸船體外板，所以對(duì)于某些船首甲板寬度較窄或采用暗式錨穴的船舶，其α值可以適當(dāng)加大;

（2）β值：一般在5?～15?范圍內(nèi)。有球鼻首的船型可取20?～25?，但一般不大于45?;對(duì)于船首甲板寬度較窄的小型船舶，β值可以適當(dāng)加大。

2.2 錨鏈筒設(shè)計(jì)的基本要求

（1）當(dāng)船舶橫傾5?時(shí)，拉錨不會(huì)碰及首柱和船底外板，同時(shí)避免因接觸船體外板而產(chǎn)生卡錨現(xiàn)象;

（2）錨在拖進(jìn)錨鏈筒后，錨爪能貼緊錨穴頂板、錨冠貼緊錨唇，且不產(chǎn)生晃動(dòng);

（3）錨能依靠自身的質(zhì)量，毫無阻礙地從錨穴中拋出;

（4）錨鏈筒具有足夠的長(zhǎng)度容納全部錨柄;

（5）錨唇在錨鏈通過部分有足夠大的圓弧，使錨鏈?zhǔn)艿降膹澢鷳?yīng)力最小;

（6）被拖進(jìn)錨鏈筒中的錨，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。

2.3 ? 錨鏈筒、錨穴的初步布置

根據(jù)總布置圖、型線圖、起錨機(jī)、掣鏈器等資料進(jìn)行放樣布置。因首樓甲板較為緊湊和受線型、錨鏈艙的影響，為了使錨機(jī)鏈輪與錨鏈筒保持一條直線，則錨鏈管將無法布置在錨鏈艙中心，從而將錨鏈管中心定在FR90～FR165、距中1 268 mm;掣鏈器定在FR91～FR92;錨鏈筒中心線相對(duì)于水平面的夾角α取80?、相對(duì)于舯縱剖面的夾角β取30?、錨鏈筒與錨穴頂板的夾角為45?。如圖1和圖2所示。

錨的收拉過程（見圖2）：錨處于船底位置I時(shí)，錨向船體外板橫傾5?后，仍然距離船體外板約590mm的距離;隨著錨的提升，當(dāng)錨到達(dá)位置Ⅱ時(shí)，錨柄被拉入錨穴，錨爪在自重作用下保持垂直向上，錨將被整個(gè)拉入錨穴中;然后，當(dāng)錨爪接觸到錨穴頂板時(shí)（即位置Ⅲ），錨爪與錨穴頂板接觸點(diǎn)A的法線N和錨爪對(duì)稱面的夾角ξ為35?。參照《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)-舾裝分冊(cè)》中關(guān)于霍爾錨的摩擦角ρ=15?，ξ比摩擦角ρ大了20?，初步預(yù)判錨爪接觸錨穴頂板后向上滑動(dòng)，錨爪最終貼緊錨穴頂板，完成整個(gè)收錨過程。

3 ? ?錨穴的三維放樣

在傳統(tǒng)的錨鏈筒和錨穴設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者往往是根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)出錨鏈筒和錨穴的位置、形狀和尺寸，通過制作一定比例的木模進(jìn)行拉錨實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和方案調(diào)整，最終得到滿足要求的設(shè)計(jì)方案。在此過程中，每次方案的修改都需要重新制作木模，造成人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi)。而通過三維軟件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可通過三維模型觀察錨鏈筒、錨穴與船體結(jié)構(gòu)貼合程度，通過三維放樣直接導(dǎo)出錨穴任意視圖的輪廓尺寸，減少二次修改的次數(shù)與工作量，節(jié)省后期設(shè)計(jì)的時(shí)間與建造成本。

Rhino是美國Robert McNeel & Assoc公司推出的一款基于NURBS曲線的三維造型軟件。該軟件操作便捷，而且其NURBS曲面適合船體外殼的建模，因此可通過該軟件來進(jìn)行錨穴的模擬和放樣設(shè)計(jì)。

（1）首先，創(chuàng)建首部船體結(jié)構(gòu)（包含船體外板及相關(guān)內(nèi)部艙壁）、AC-14大抓力平衡錨、錨鏈筒和錨穴等三維模型。其中，船體結(jié)構(gòu)模型、AC-14大抓力平衡錨為已知的定尺寸模型，可直接按尺寸建立三維模型;而錨鏈筒、錨穴的布置位置與設(shè)計(jì)尺寸則由設(shè)計(jì)者進(jìn)行優(yōu)化確定。本船錨鏈筒的直徑取426 mm，錨穴寬度與進(jìn)深的尺寸均比錨的外型尺寸大200 mm以上。在建立模型的過程中，注意觀察錨穴外圍板與船體結(jié)構(gòu)的匹配度，以及外觀造型是否美觀、內(nèi)部構(gòu)件空間是否滿足施工要求等。

（2）其次，通過三維模型分析拉錨過程的幾個(gè)狀態(tài)：

① 錨在位置I（圖3）時(shí)，將錨模型向船體傾斜5?，在錨冠處制作一個(gè)半徑500 mm的圓球模型。通過觀察，圓球模型的外輪廓幾乎與船體外板貼合，從而預(yù)判錨在橫傾5?后錨冠與船體外板的距離約500 mm;

② 錨在上升過程中到達(dá)位置Ⅱ（圖4）時(shí)，在轉(zhuǎn)環(huán)的作用下錨將沿著錨柄做360?的無規(guī)則旋轉(zhuǎn)。通過模型觀察錨與船體外板接觸的過程如下：

·錨柄寬端與錨穴下端板接觸，錨爪在自重的作用下保持垂直向上（圖4）;

·錨柄窄端與錨穴下端板接觸，此時(shí)錨爪將點(diǎn)接觸船體外板，此狀態(tài)為非穩(wěn)定狀態(tài)，錨爪瞬即發(fā)生旋轉(zhuǎn)切變到上面狀態(tài)（圖5），從而預(yù)判錨接觸錨穴下端板時(shí)不發(fā)生卡錨現(xiàn)象;

③ 錨越過位置Ⅱ，當(dāng)錨冠觸碰錨穴下緣后，將使錨爪產(chǎn)生向錨穴內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)的力矩，從而轉(zhuǎn)入到錨穴內(nèi)部，然后錨爪觸碰錨穴頂板（圖6）;

④ 錨柄最后完全被拉入錨鏈筒中，錨爪緊貼錨穴頂板，到達(dá)位置Ⅲ（圖7、圖8），完成整個(gè)收錨過程。

4 ? ?拉錨驗(yàn)證

通過拉錨驗(yàn)證，錨的收放過程順暢，不發(fā)生卡錨現(xiàn)象。錨在收拉過程中，在錨鏈拉力和自重的作用下，將產(chǎn)生向船后傾斜小段距離，因錨穴留有一定的裕度空間，所以并未產(chǎn)生卡錨現(xiàn)象。

5 ? ?結(jié)論

本文通過8 000 HP海洋救助拖船錨穴的設(shè)計(jì)過程，利用Rhino軟件進(jìn)行三維立體模擬，能夠給予設(shè)計(jì)人員直觀正確的判斷，提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，降低圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的失誤率;同時(shí)，降低錨穴制作的現(xiàn)場(chǎng)施工量與建造成本。

船舶收拉錨是一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的過程，對(duì)船舶的錨泊作業(yè)起到關(guān)鍵性作用，而拉錨的成功與否取決于錨穴的設(shè)計(jì)。錨穴設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷調(diào)整、優(yōu)化的過程，如要求錨穴設(shè)計(jì)能一步就位是極其困難的，因?yàn)橛绊戝^穴設(shè)計(jì)的因素很多，其中夾角α和β的選擇是關(guān)鍵。通過Rhino軟件的仿真模擬，可以提前預(yù)判拉錨過程可能出現(xiàn)的不良情況，盡量避免發(fā)生卡錨的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè).舾裝分冊(cè)[M]. 國防工業(yè)出版社，2013.

[2]畢偉光.33m拖船錨穴的設(shè)計(jì)與制作[J].江蘇船舶.2007.24（2）.

[3]孫大虎， 孫華偉. 12500DWT多用途船錨系布置方案的設(shè)計(jì)[J].船舶? ? ? 設(shè)計(jì)通訊2017（增刊2）.