基于SOLIDWORKS的新型錨唇拉錨試驗仿真分析

陳 壯 陳大為 陳 路

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

船用錨是系固船舶的主要裝置，其性能直接決定船舶能否可靠的系留。在船舶航行途中錨需穩(wěn)定的收靠于船體以避免錨爪和船體碰撞，因此船舶一般在船首部設置錨臺錨唇，作為錨的收靠平臺。在進行錨唇設計時通常會碰到如下4個問題：

1）錨唇的頂部端面設計為平面，在錨機拉力的作用下，錨爪會沿錨唇端面上滑，造成錨冠與錨唇脫開，錨無法緊密貼合錨唇。

2）錨唇下口處圓弧半徑設計過小，在收放錨鏈時無法保證始終有3個錨鏈與錨唇下口接觸，錨鏈易發(fā)生翻轉。

3）錨鏈筒直徑設計過小或錨鏈筒角度設計有誤，會導致收放錨時，錨桿頂端容易碰撞錨鏈筒上壁。

4）錨唇設計有誤，不平衡大抓力錨在收錨時無法正常翻轉，發(fā)生卡錨現(xiàn)象。

對于這些問題，設計人員會盡量在錨系初始設計中去解決；在初始設計完成后還需對其可靠性進行驗證。目前國內(nèi)外主流的驗證方案有兩種。

第一種方案是縮比木模拉錨試驗，即根據(jù)設計方案制作一定比例的船首以及錨的木模進行拉錨試驗。根據(jù)木模拉錨試驗的結果對錨鏈筒和錨唇的位置及形狀進行修正，重復試驗，直到錨收放過程順暢，確保實船時該錨泊系統(tǒng)能夠正常工作［1］。這是傳統(tǒng)解決方案，船廠和船東認可度較高。然而，每次調(diào)整設計方案后，都必須重新制作木模，不僅需要花費大量的人力物力，而且可能需要較長的試驗周期才能達到船東和船級社的要求。

第二種方案是計算機拉錨仿真［2-3］。作為新的解決方案，相比于木模拉錨試驗，其在試驗周期、試驗成本、占地面積及環(huán)境安全等方面都具有較大的優(yōu)勢；在擬真程度上，相比于木模拉錨試驗，計算機仿真可精確設置任何接觸條件下的摩擦因數(shù)，可實現(xiàn)錨的勻速收放，總體及細節(jié)的擬真程度極高。2000年后，計算機拉錨仿真以其極高的時效性、經(jīng)濟性及擬真度獲得船東青睞，使用率持續(xù)增加。

針對錨唇的頂部端面為平面時，在錨機拉力下錨爪沿錨唇端面上滑導致錨冠和錨唇脫離這一問題，本文提出了一種新型的錨唇型式，以完全抑制錨爪向上滑移的趨勢。為驗證此新型錨唇對錨爪的收靠效果，利用三維軟件SOLIDWORKS的Motion模塊對拉錨過程進行動態(tài)仿真分析，得出錨的運動軌跡及錨的最終收靠狀態(tài)，進而對錨唇進行進一步優(yōu)化。在此基礎上完成了平衡大抓力錨、不平衡大抓力錨、斯貝克錨的動態(tài)拉錨仿真及翻鏈工況的校核以驗證本仿真方法的準確性。本文以平衡大抓力錨為例進行驗證。

1 新型錨唇設計

相比于傳統(tǒng)的錨唇頂部端面為平面的設計，該錨唇在頂部端面的上端增加止動凸臺，凸臺的位置及臺階面的角度與錨爪匹配。當錨爪到達設計既定的收靠位置后，受到錨機拉力的繼續(xù)作用，有沿錨唇向上滑移的趨勢。由于錨唇頂部止動凸臺位于錨爪的兩個錨齒之間，抵消了驅動錨爪向上滑移的分力，阻止了錨爪向上滑移。錨臺三維正視圖如圖1所示，錨與錨唇最終貼合狀態(tài)如圖2所示。

圖1 錨唇三維正視圖

圖2 錨、錨唇貼合正視圖

2 錨系模型建立

在SOLIDWORKS中將各部件根據(jù)設計圖紙進行定位后的錨系三維裝配模型如圖3所示［4］。整個錨系仿真模型包括錨唇、錨臺、錨、錨桿、錨鏈、錨鏈筒、導鏈滾輪及船首結構共7個部件。除錨唇、錨臺是在犀牛（Rhino）軟件中建模后導入外，其余5個部件在SOLIDWORKS中建模。本拉錨仿真目的是得出新型錨唇對錨爪的收靠效果，考慮到Motion動態(tài)仿真時零部件數(shù)量、接觸條件、約束條件對仿真效率的影響，在不影響仿真結果的基礎上適當縮短錨鏈及錨鏈筒的長度，以減小后續(xù)仿真計算時間。

圖3 錨系三維裝配模型

2.1 錨及錨鏈三維模型

根據(jù)該船的規(guī)格書和舾裝數(shù)計算書對選用的錨和錨鏈進行標準化建模。該船選用大抓力錨，對模型添加材料屬性，其中錨重為10 700 kg。在裝配體中完成錨爪、錨桿、卸扣及錨鏈環(huán)的配合，其中錨爪與錨桿的配合為相關面的同心、重合及角度限制，錨桿與卸扣的配合相關面的同心、重合及角度限制，錨鏈環(huán)與卸扣及錨鏈環(huán)之間不使用配合，整個錨鏈在Motion分析中設置三維接觸和約束條件。圖4為錨和錨鏈配合后的裝配體模型。

圖4 錨及錨鏈三維模型

2.2 導鏈滾輪三維模型

在仿真模型中，導鏈滾輪定位于錨鏈筒入口處使得錨鏈通過錨鏈筒時不會同錨鏈筒口發(fā)生摩擦，考慮到縮短了錨鏈筒長度，因此將導鏈滾輪中心點位置按照縮短比例定位以盡量準確地模擬拉錨過程，考慮到模型數(shù)量對動態(tài)仿真效率的影響，將船首（含錨唇、錨臺）、錨鏈筒及導鏈滾輪合為整體模型。導鏈滾輪三維模型如圖5所示。

圖5 導鏈滾輪三維模型

3 Motion動態(tài)拉錨仿真

3.1 仿真參數(shù)設置

在三維裝配圖中，固定船首（含錨唇、錨臺）、錨鏈筒及導鏈滾輪，將錨爪、錨桿及錨鏈按照設計圖紙調(diào)整至初始位置。給錨鏈、錨、船首模型等添加材料屬性；設置模型實體接觸，包括船首與錨系其他模型的三維實體接觸、錨鏈環(huán)與卸扣的三維實體接觸、錨鏈環(huán)之間的實體接觸；設置模型重力加速度大小及方向；設置拉錨速度、拉錨力及作用對象。仿真采用速度控制結合力控制的驅動方式，在錨爪貼合錨唇之前使用恒定速度的線性馬達驅動自由端錨鏈，在錨爪接近貼合錨唇時使用恒拉力驅動自由端錨鏈，拉錨拉力根據(jù)錨爪、錨桿及錨鏈的質量設置。此種驅動方式完全符合錨機拉錨過程中的施力情況：在Motion模塊—運動算例屬性—設置模型三維接觸精度，在高級選項中設置Motion動態(tài)仿真積分器類型、最大迭代次數(shù)、初始積分器步長大小、最大積分器補償大小及最小積分器補償大小等參數(shù)。

3.2 仿真結果分析

啟動Motion動態(tài)仿真分析并輸出動態(tài)仿真結果，錨爪、錨桿及錨鏈的運動軌跡如圖6所示。其中，圖6 b）在圖6 a）基礎上改變船首透明度以方便觀察錨桿和錨鏈在錨鏈筒內(nèi)的運動軌跡。

圖6 拉錨試驗仿真結果

由仿真結果可知，在錨鏈通過錨唇下口時，始終保持有3個錨鏈與錨唇下口接觸，錨鏈與錨唇下口貼合緊密，未出現(xiàn)翻鏈、扭鏈等不理想情況。在錨桿進入錨鏈筒的過程中，錨桿端部未與錨鏈筒內(nèi)壁發(fā)生碰撞，錨桿順利進入錨鏈筒。當錨爪到達設計既定的貼靠位置后，在錨機拉力的持續(xù)作用下，錨爪有向上滑移的趨勢，由于錨唇端面的止動凸臺位于錨爪的兩個錨齒之間，阻礙了錨爪向上滑移，且增加的止動凸臺并沒有改變錨鏈筒入口的大小，因此在拋錨時對錨桿從錨鏈筒內(nèi)滑出的運動過程不會產(chǎn)生任何的影響和阻礙。

通過動態(tài)仿真結果對整個拉錨過程有了直觀了解。為進一步分析拉錨過程瞬態(tài)運動細節(jié)，以自由端錨鏈及錨桿端部為分析對象，輸出其瞬態(tài)運動數(shù)據(jù)，如圖7～8所示。

圖7 自由端錨鏈中心點相對模型原點位移

圖8 錨桿端部頂點速度

圖7中實線為自由端錨鏈中心點相對模型原點實際位移曲線，虛線為位移數(shù)據(jù)擬合后得出的線性結果：即實際拉錨速度約為0.16 m/s（即9.6 m/min），滿足錨機起錨速度要求。

圖8為錨桿端部頂點速度—時間圖。由圖8可知在錨爪貼合錨唇之前（使用定速線性馬達驅動）錨桿端部速度在0.2 m/s附近波動，在錨爪接近貼合錨唇時（使用恒拉力驅動）錨桿端部速度劇增后劇減為0，此運動趨勢符合錨桿實際運動情況。

由動態(tài)拉錨仿真結果及瞬態(tài)運動分析結果可知：此種新型的錨唇型式，可以完全抑制錨爪向上滑移的趨勢，提高錨爪收靠的穩(wěn)定性。且基于SOLIDWORKS的計算機拉錨仿真擬真度極高，具有極高的可信度。

4 結語

本文提出了一種新型的錨唇型式以解決錨唇頂部端面為平面時在錨機拉力下錨爪沿錨唇端面上滑導致錨冠和錨唇脫離問題，并通過基于SOLIDWORKS的動態(tài)拉錨仿真予以驗證，仿真結果表明此種新型的錨唇型式可完全抑制錨爪向上滑移趨勢。在此基礎上，初步完成了基于SOLIDWORKS的計算機拉錨仿真方法的探索及總結，創(chuàng)新性地提出了速度控制結合力控制的驅動方式，確保此拉錨仿真具有極高的擬真度及準確度，同時解決了現(xiàn)有拉錨仿真中未能實現(xiàn)的錨鏈全模擬及錨機驅動力全模擬等關鍵問題。為進一步完善該錨仿真方法，下一步仿真工作將圍繞不同摩擦因數(shù)、接觸剛度及拉錨速度下的拉錨運動狀態(tài)對比展開。