極地破冰船錨系交互設(shè)計技術(shù)的拉錨動力學(xué)仿真

趙振華 ， 陶冬明 ， 林桂霖 ， 劉志強

(1.江南造船(集團)有限責(zé)任公司， 上海201913； 2.江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

錨系作為船舶系泊和安全航行的關(guān)鍵裝置，一直是船舶設(shè)計方、建造方、船舶所有人及船級社比較重視的項目。新一代極地破冰船兼具了綠色環(huán)保與高結(jié)構(gòu)強度要求，具備艏艉雙向沖撞破冰和動力定位能力。錨系設(shè)備是船舶控制不可或缺的甲板機械裝置，其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響船舶的安全。

新一代極地破冰船無限航區(qū)的性能要求導(dǎo)致其錨泊和定位系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高。由于錨裝置的設(shè)計是空間幾何曲面和多動態(tài)力(接觸碰撞力、錨絞機拉力、重力)約束下的非線性多體動力學(xué)問題，目前缺少精確的解析設(shè)計方法[1-2]。傳統(tǒng)設(shè)計方法是通過基本型類推進(jìn)行二維設(shè)計，然后采用木?；蜾撃＿M(jìn)行拉錨試驗。采用的錨穴設(shè)計在傳統(tǒng)建造過程中出現(xiàn)錨座碰撞船體外板、起錨收入時錨碰撞錨穴壁板、起錨收入過程不通暢等情況。為了改進(jìn)邊錨裝置的設(shè)計，需要進(jìn)行反復(fù)修改和試驗驗證才能確定最終設(shè)計方案，帶來的問題是設(shè)計周期長、試驗成本高[3-4]。傳統(tǒng)二維設(shè)計加實物模型試驗方式的固有特點造成設(shè)計初期難以發(fā)現(xiàn)問題，且不能滿足新形勢下的快速設(shè)計修改、快速驗證的新需求。若采用低成本的縮小比例木模，則不能完全分析出實船狀態(tài)。木模的密度、質(zhì)量、摩擦系數(shù)與實際偏差太大，木模試驗精度也不能準(zhǔn)確而完全地反映出錨的微小結(jié)構(gòu)情況，致使錨系相關(guān)結(jié)構(gòu)特征不能很好地發(fā)揮性能。若采用1∶1鋼模進(jìn)行試驗，雖然能滿足實際的模擬要求，但是成本高、建造周期長，仍然不能達(dá)到設(shè)計過程中需要的快速修改要求。

隨著數(shù)字化造船的快速發(fā)展，計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design, CAD)技術(shù)及計算機輔助工程分析技術(shù)具有廣泛應(yīng)用：可在三維交互設(shè)計環(huán)境下完成船舶錨系各組件的三維實體建模，并組裝孿生數(shù)字虛擬樣機；在此基礎(chǔ)上完成對船舶錨系各組件的運動動態(tài)與接觸狀態(tài)的仿真評估；依據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案，在設(shè)計的早期階段驗證錨系性能，從而實現(xiàn)降本增效，并顯著提高錨系設(shè)計質(zhì)量。采用三維交互設(shè)計和拉錨動力學(xué)分析，從開始三維建模到整個拉錨仿真試驗完成，只需約1～2周，而木模試驗或鋼模試驗需要1個月以上。在修改后再試驗方面則更為突出：當(dāng)遇到問題需要修改錨唇截面尺寸、重新進(jìn)行拉錨試驗時，計算機模擬3 h左右能完成修改設(shè)計的快速驗證，而木?；蜾撃＜s需1周。

1 錨系三維交互設(shè)計及拉錨試驗仿真技術(shù)

錨系三維交互設(shè)計和起拋錨仿真流程如圖1所示。首先，根據(jù)船廠提供的圖紙——船首線型圖、錨設(shè)備圖、錨臺(錨唇)或錨穴結(jié)構(gòu)圖及錨系布置圖，使用交互式參數(shù)化自動建模，完成船首、錨鏈筒、錨穴(錨臺-錨唇)、錨、錨鏈、導(dǎo)鏈滾輪(掣鏈器)的三維實體建模。在此流程中，錨構(gòu)件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以一般通過數(shù)據(jù)庫調(diào)用對應(yīng)廠家不同規(guī)格的錨。在此基礎(chǔ)上，通過船舶錨系裝配定位工具完成交互式裝配。最后，通過虛擬起拋錨仿真，在運動仿真參數(shù)、精度和仿真時間匹配設(shè)置的基礎(chǔ)上開展求解計算，并輸出錨系組件運動姿態(tài)、軌跡與貼合狀態(tài)。錨系動力學(xué)分析的整個流程：從初始的幾何模型到動力學(xué)模型的建立，經(jīng)過對模型的數(shù)值求解，最后得到分析結(jié)果。錨系設(shè)計分析主要包括建模和求解兩個階段。

圖1 錨系三維交互設(shè)計和起拋錨仿真流程

1.1 錨系初始布局及三維幾何建模

針對錨系裝置設(shè)計面臨的約束，開始初始設(shè)計，包括定位錨鏈筒角度、錨鏈筒開口位置、錨唇-錨臺或錨穴結(jié)構(gòu)設(shè)計。錨系三維設(shè)計與模型建立是交互設(shè)計與性能仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)，既需要具備導(dǎo)入船體、錨系布置、錨鏈筒、錨穴或者錨臺-錨唇二維設(shè)計圖紙生成三維模型的能力，也可輸入?yún)?shù)尺寸完成交互式設(shè)計與三維建模，并實現(xiàn)錨鏈筒、錨臺-錨唇或錨穴尺寸位置驗證功能。

通過二次開發(fā)的錨系輔助設(shè)計專家系統(tǒng)開展交互錨系布局設(shè)計。錨系的主要設(shè)計是指建立非標(biāo)件的設(shè)計模型，并作為仿真模型的輸入。錨系數(shù)字化建模中的幾何模型與錨系結(jié)構(gòu)設(shè)計相對應(yīng)，是后續(xù)一系列過程進(jìn)行的基礎(chǔ)。

此外，在錨系標(biāo)準(zhǔn)件建模方面，錨系三維交互設(shè)計具備錨、錨鏈、導(dǎo)鏈滾輪(掣鏈器)等標(biāo)準(zhǔn)件自動建模能力，通過輸入相應(yīng)規(guī)格參數(shù)，可直接生成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件。錨鏈及錨標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)用起拋錨動力學(xué)分析系統(tǒng)自建的重用庫及標(biāo)準(zhǔn)件庫。

1.2 錨系裝配定位及孿生虛擬樣機模型構(gòu)建

在錨系各組件完成三維交互設(shè)計與三維建模之后，可以構(gòu)建數(shù)字孿生虛擬樣機。通過對錨系各組件的位置進(jìn)行自動裝配定位，定義起拋錨初始狀態(tài)。利用CATIA三維輔助設(shè)計系統(tǒng)的特征定位功能、裝配定位功能，定位標(biāo)準(zhǔn)件與其他零件的位置關(guān)系，開展錨系裝置裝配，并建立三維虛擬樣機。錨系動力學(xué)仿真系統(tǒng)已經(jīng)在后臺數(shù)據(jù)庫中建立相對應(yīng)的參數(shù)傳遞，建立了尺寸鏈接關(guān)系。錨系三維交互設(shè)計具備對錨系起拋錨進(jìn)行全程運動分析的功能，可輔助設(shè)計人員不斷優(yōu)化設(shè)計和驗證設(shè)計效果。

1.3 錨系動力建模及起拋錨運動分析

在數(shù)字孿生虛擬樣機建模基礎(chǔ)上，可以完成后續(xù)的起拋錨性能仿真評估，通過多體動力學(xué)仿真分析可以：輸出錨系組件的運動狀態(tài)、各組件的運動軌跡、各組件配合與接觸碰撞形態(tài)；輸出動態(tài)起拋錨過程下錨位置與船體球鼻艏的距離；輸出錨的翻轉(zhuǎn)、接觸碰撞、耦合與貼合狀態(tài)；自定義關(guān)鍵接觸部位位置、接觸漸進(jìn)過程的細(xì)節(jié)剖視和透視狀態(tài)。此外，在靜態(tài)錨收藏狀態(tài)下可以給出與錨穴各板的距離、校核錨與錨臺-錨唇或錨穴的接觸點。

拉錨仿真內(nèi)容和流程如圖2所示，包括錨系動力學(xué)仿真計算、設(shè)計方案驗證評估與優(yōu)化模塊。動力學(xué)仿真計算包括錨系運動組件設(shè)置、組件鏈接設(shè)置及仿真系統(tǒng)驅(qū)動的添加，然后設(shè)定接觸連桿間的摩擦系數(shù)，最后設(shè)定解算方案屬性中的重力與解算誤差參數(shù)。仿真分析方案分別對錨系進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，包括球鼻艏防碰撞距離安全檢測，錨-錨鏈接近錨唇或錨穴過程中的翻轉(zhuǎn)過程檢測、錨爪貼合過程檢測等3個方面。

圖2 拉錨仿真內(nèi)容和流程

數(shù)字孿生虛擬樣機性能仿真可以模擬出是否存在卡錨狀態(tài)、錨是否碰撞球鼻艏或船體外板，并可動態(tài)實時反饋錨與錨唇或錨穴、錨桿與錨鏈筒、錨鏈與導(dǎo)鏈滾輪(掣鏈器)等位置的接觸情況。對于異常情況，可以交互修改錨鏈筒設(shè)計角度、錨臺面設(shè)計角度及錨唇型線參數(shù)，并可在交互設(shè)計與建模模塊實現(xiàn)快速更改模型，更新數(shù)字孿生虛擬樣機，重新仿真模擬起拋錨過程，不斷改進(jìn)優(yōu)化錨系設(shè)計參數(shù)，迭代優(yōu)化直到滿足設(shè)計要求。通過數(shù)字孿生虛擬樣機性能仿真及多體動力學(xué)分析計算，研究拉錨過程中錨的翻轉(zhuǎn)情況及碰撞分析。根據(jù)計算機模擬拉錨結(jié)果，對錨臺以及錨唇做出相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計，保證錨鏈?zhǔn)掌疬^程的順暢以及錨收起后與錨唇的貼合狀態(tài)滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

通過錨泊動力學(xué)仿真，可對比分析不同起錨或拋錨工況下多種錨系運動狀態(tài)，分析不同設(shè)計方案：可得到拉錨過程中的貼合和接觸情況的對比評估，錨與船體碰撞接觸點量化對比，拉錨試驗中內(nèi)部剖開細(xì)節(jié)展示，拉錨試驗中貼合點、間隙等細(xì)節(jié)量化；可分析橫傾、縱傾情況下船舶晃動狀態(tài)及錨系運動狀態(tài)。對錨系拉錨過程狀態(tài)進(jìn)行動力學(xué)仿真，模擬拉錨過程中錨爪翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖3所示；驗證錨臺-錨唇的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否符合相應(yīng)錨型特點，如圖4所示：邊錨起錨安全距離為距船體最近點約1 987 mm，距離較安全，在船體縱傾5°、橫傾3°以內(nèi)，不會發(fā)生碰撞球鼻艏的情況。

圖3 拉錨過程中錨翻轉(zhuǎn)和收藏的動態(tài)過程

圖4 起錨時距船體的安全距離檢測

2 錨系快速交互設(shè)計更改和生產(chǎn)工程圖輸出

若設(shè)計存在問題，計算機可模擬檢查出錨被卡住、碰撞外板、錨與錨穴或錨桿與錨鏈筒接觸等異常狀態(tài)。如圖5和圖6所示，第1.3節(jié)三維拉錨運動模擬仿真分析結(jié)果可呈現(xiàn)出貼合問題，若錨-錨穴等不貼合，可量出偏差，若刮擦碰撞可測量接觸位置，為下一步修改提供依據(jù)。若在原設(shè)計方案基礎(chǔ)上出現(xiàn)翻錨、錨貼合不佳、錨桿進(jìn)入錨鏈筒時碰撞內(nèi)壁等情況，需對原有設(shè)計進(jìn)行修改。針對遇到的異常翻錨與貼合狀態(tài)，可在AutoCAD中修改原錨系設(shè)計圖，并在建模模塊中對錨鏈筒中心線角度和錨唇外形尺寸設(shè)計進(jìn)行對應(yīng)修改，依次進(jìn)行重復(fù)對比仿真，直到設(shè)計滿足要求，并針對滿足要求的結(jié)果生成相關(guān)模型工程圖。若設(shè)計不滿足設(shè)計規(guī)范則修改初始設(shè)計，重新開展仿真分析。利用測量誤差，結(jié)合原三維模型，在CAD軟件中進(jìn)行響應(yīng)模型修改，再重新進(jìn)行模擬仿真，利用計算機輔助設(shè)計功能的便捷代替木模試驗的繁瑣，從而節(jié)省工作成本。如圖7所示，導(dǎo)出工程圖，包括錨系布置圖、錨穴設(shè)計圖、錨鏈筒展開圖、錨臺樣板圖、錨唇剖面圖和錨臺展開圖等。

圖5 錨桿與錨鏈筒接觸情況

圖6 錨尖與錨穴板間隙

圖7 錨系工程圖輸出

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3 結(jié) 論

錨系數(shù)字化交互設(shè)計依據(jù)原錨系設(shè)計圖紙進(jìn)行1∶1實際比例三維建模，通過設(shè)計坐標(biāo)進(jìn)行零部件精準(zhǔn)裝配，設(shè)定切合實際的運動參數(shù)，進(jìn)行數(shù)字化模擬試驗仿真。通過仿真動畫結(jié)果，可直觀評估拉錨過程中錨的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)及最終貼合狀態(tài)，并可進(jìn)行誤差測量分析，快速得到交互響應(yīng)，針對結(jié)果中的問題在模型中做出對應(yīng)修改，進(jìn)行重復(fù)試驗。此方法利用計算機數(shù)字化仿真代替木模試驗法，達(dá)到快速響應(yīng)、節(jié)省設(shè)計成本的目的，有效提高設(shè)計工作的效率。結(jié)果表明，基于拉錨虛擬仿真的錨系交互設(shè)計技術(shù)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維設(shè)計與木模試驗的設(shè)計方法，在設(shè)計的早期階段就可實現(xiàn)評估整個運動過程接近實際船舶錨系拉錨運動工況，為錨系設(shè)計方案優(yōu)化提供可靠手段。