基于智能仿真的錨系生產(chǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

孫淑俠 劉志強(qiáng) 王 念 彭 堯

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖北武漢 430050；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430060）

錨泊系統(tǒng)是船舶停泊作業(yè)安全可靠的保障[1]，艏部錨系建造過程包括各部件滿足多動(dòng)態(tài)約束下非線性運(yùn)動(dòng)的布置設(shè)計(jì)、現(xiàn)場安裝多維度曲面定位及船臺(tái)施焊空間閉塞狹窄三大難點(diǎn)[2][3]，涉及多個(gè)相互制約和關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵要素，且錨系所處空間位置復(fù)雜、工作狀態(tài)多變，在船舶建造過程中有著相當(dāng)重要的地位。常規(guī)建造方法是設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并用比例木模放樣拉錨試驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和修改來減小實(shí)船安裝的風(fēng)險(xiǎn)，最終獲得錨系設(shè)計(jì)布置圖和各結(jié)構(gòu)件加工安裝圖，指導(dǎo)船臺(tái)錨系結(jié)構(gòu)和設(shè)備安裝，進(jìn)行實(shí)船船臺(tái)和水下拉錨試驗(yàn)來驗(yàn)證錨系安裝結(jié)果，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整修改最終獲得合理的錨系收放和收藏效果。

這種常規(guī)方法經(jīng)常出現(xiàn)的問題有以下幾個(gè)：

（1）錨系初始方案設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性一定程度上依賴設(shè)計(jì)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)不同可靠性不同。

（2）木模材質(zhì)、比例縮放的失真性較大，無法完全體現(xiàn)錨收放過程中的翻轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)、卡阻和刮擦現(xiàn)象，只能獲得相對(duì)較好的收放和收藏貼合效果。

（3）木模制作及拉錨試驗(yàn)周期長、精度差，使得提前錨系船臺(tái)安裝工序到分段進(jìn)行一直不能有效實(shí)施，且木模制作人工和物料整體成本較高。

（4）船臺(tái)安裝存在施工空間狹小密閉、仰位施焊以及大飄度外舷側(cè)三維定位等難點(diǎn)。

（5）實(shí)船船臺(tái)和水下反復(fù)拉錨驗(yàn)證，導(dǎo)致船臺(tái)和水下建造周期長。

為解決上述問題，以1500噸科考測量船為例，借鑒近年越來越多領(lǐng)域應(yīng)用智能仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)并通過智能仿真對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估的做法，利用計(jì)算機(jī)智能仿真技術(shù)進(jìn)行錨系設(shè)計(jì)布置及拉錨試驗(yàn)，驗(yàn)證錨系多維度空間合理性可視化布置，還原實(shí)船安裝和操作環(huán)境，提高布置精準(zhǔn)性，減少設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)間，同步分段建造，實(shí)現(xiàn)錨系工序前移到分段安裝，達(dá)到優(yōu)化船舶建造工藝的目的。

1 錨系設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

船艏錨系一般由錨、錨鏈、錨鏈筒、錨唇（或錨穴）、導(dǎo)鏈滾輪、掣鏈器、錨機(jī)、錨鏈管、錨鏈艙和棄錨器等主要設(shè)備組成[4]。錨系設(shè)計(jì)及生產(chǎn)具體可分為初始參數(shù)選算、部件規(guī)格設(shè)計(jì)、錨系布置設(shè)計(jì)、放樣拉錨驗(yàn)證和錨系實(shí)船安裝五個(gè)步驟，（詳見圖1）錨系設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程圖，這是采用各種方法進(jìn)行錨系設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖1 錨系設(shè)計(jì)安裝流程圖

2 錨系智能仿真技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在船舶行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，船舶錨系設(shè)計(jì)逐漸從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）過渡到計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）[5-6]。所選錨系智能仿真技術(shù)是一款基于unity平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)的國產(chǎn)化船舶錨系設(shè)計(jì)專用軟件，在三維環(huán)境中建立船體錨系模型樣機(jī)，轉(zhuǎn)入CAE運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊，能夠通過智能計(jì)算、分析和仿真進(jìn)行船舶錨系的初始參數(shù)選算、部件規(guī)格選算、錨系布置設(shè)計(jì)和放樣拉錨驗(yàn)證，最終導(dǎo)出錨系二維CAD 圖紙供實(shí)船生產(chǎn)安裝使用。以下是針對(duì)1500 噸科考測量船錨系設(shè)計(jì)應(yīng)用智能仿真技術(shù)的總結(jié)和分析。

2.1 初始參數(shù)選算

智能仿真系統(tǒng)中內(nèi)置了舾裝數(shù)算法及初始參數(shù)選取規(guī)則，輸入船舶定級(jí)、主尺度及錨系設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，即可得出舾裝數(shù)，并推薦初始參數(shù)，設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)一些特殊情況進(jìn)行調(diào)整即可。1500噸科考測量船入級(jí)CCS，是一艘具有近海和深遠(yuǎn)海航行與多功能作業(yè)能力的無限航區(qū)綜合性海洋科考測量船，經(jīng)常海上拋錨泊船作業(yè)，錨泊系統(tǒng)收放作業(yè)較為頻繁，因此對(duì)錨系布置設(shè)計(jì)及安裝效果要求更高。該船用于錨系參數(shù)設(shè)計(jì)的主尺度及相關(guān)計(jì)算參數(shù)（如下表1）。

表1 主尺度及相關(guān)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)CCS 相關(guān)規(guī)范的舾裝數(shù)算法（N=Δ2∕3+2Bh+A∕10），輸入上述參數(shù)，得出舾裝數(shù)為N=522，對(duì)應(yīng)規(guī)范給出的500＜N＜550 一欄[7]，但考慮到船東提出的本船未來會(huì)加裝科考設(shè)備的計(jì)劃，錨泊設(shè)備放大兩檔選取，故設(shè)計(jì)人員人為將舾裝數(shù)調(diào)整到對(duì)應(yīng)600＜N＜660一欄，根據(jù)規(guī)范錨泊設(shè)備選型表系統(tǒng)自動(dòng)選取錨系初始參數(shù)，結(jié)合船東拋錨習(xí)慣和船舶無限航區(qū)，確定最終初始參數(shù)，如下表2。

表2 錨系初始參數(shù)

2.2 錨系部件設(shè)計(jì)

根據(jù)初始參數(shù)，智能仿真系統(tǒng)的錨泊設(shè)備計(jì)算程序可算取錨系各主要部件關(guān)鍵規(guī)格尺寸數(shù)值或推薦范圍，如錨鏈艙的容積，錨鏈管的直徑、壁厚，錨機(jī)鏈輪直徑、工作負(fù)荷，錨鏈筒的直徑、壁厚、長度等；可選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格，如導(dǎo)鏈滾輪、掣鏈器、棄錨器、錨鏈艙眼環(huán)等。根據(jù)參數(shù)范圍，設(shè)計(jì)人員依據(jù)船舶結(jié)構(gòu)情況和備用材料規(guī)格做具體選擇，試驗(yàn)船錨系主要部件規(guī)格尺寸數(shù)值（如下表3）。導(dǎo)鏈滾輪、掣鏈器、棄錨器、錨鏈艙眼環(huán)等標(biāo)準(zhǔn)輔助部件與錨鏈直徑相關(guān)，規(guī)格系統(tǒng)自動(dòng)選取。

表3 錨系主要部件規(guī)格尺寸數(shù)值

2.3 錨系部件布置

錨系布置需要考慮的因素較多，人工手動(dòng)進(jìn)行錨系布置經(jīng)常要耗費(fèi)較大精力和時(shí)間，常常顧此失彼，不能兼顧，智能仿真系統(tǒng)用強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫做支撐，可以輕松實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足制約和關(guān)聯(lián)條件。導(dǎo)入已經(jīng)建好并經(jīng)過光順的船體分段模型，再加載錨系部件模型即可。試驗(yàn)船艏部尖狹，位置緊湊，故選用兩臺(tái)單側(cè)式錨機(jī)和滾輪閘刀掣鏈器，系統(tǒng)根據(jù)錨機(jī)類型和錨系多個(gè)相互制約和關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵要素進(jìn)行智能布置，獲取錨機(jī)鏈輪中心和錨鏈筒上下中心位置[7]。利用標(biāo)準(zhǔn)件模型庫加載并定位錨機(jī)、滾輪閘刀掣鏈器等標(biāo)準(zhǔn)件模型，再進(jìn)行錨鏈筒結(jié)構(gòu)、錨唇結(jié)構(gòu)及錨鏈管結(jié)構(gòu)的非標(biāo)件建模。

對(duì)于錨鏈管、錨鏈筒、錨唇、錨穴及錨臺(tái)等結(jié)構(gòu)非標(biāo)件的建模和加載定位，設(shè)計(jì)人員可通過專門的建模設(shè)計(jì)模塊快速準(zhǔn)確完成。錨唇是其中相對(duì)復(fù)雜的部件，系統(tǒng)將錨唇線型進(jìn)行多個(gè)橫截面串聯(lián)，橫截面參數(shù)的不同構(gòu)成了錨唇線型的變化，如下圖2，錨唇內(nèi)孔為錨鏈筒在外板上的開孔，由錨鏈筒模型建立后自動(dòng)生成。模型加載定位后，可通過多維度旋轉(zhuǎn)、縮放等檢查并調(diào)整各部件的干涉、錨唇與外板貼合以及內(nèi)圓與錨鏈筒光順過渡等情況。

圖2 錨唇型線及虛擬樣機(jī)模型

最后，導(dǎo)入錨鏈和錨的模型，利用錨系自動(dòng)裝配定位功能，點(diǎn)擊已定位部件的關(guān)鍵點(diǎn)，確定錨鏈走向，并確保錨桿中心線方向和錨爪與錨桿的40°夾角；然后微調(diào)錨唇參數(shù)，獲得滿足錨爪與錨桿的夾角卡位以及錨爪與錨唇頂部貼合良好的錨唇形狀，至此，仿真拉錨模型全部布置到位。

2.4 拉錨仿真試驗(yàn)

實(shí)際上，仿真拉錨和布置是交替進(jìn)行來獲取最終精準(zhǔn)良好的錨系布置的，這一點(diǎn)與木模放樣拉錨試驗(yàn)是類似的，只是比木模放樣要快速的多，不需要放樣人員和物料，設(shè)計(jì)人員自行完成即可。錨系布置裝配完成后，設(shè)置錨系驅(qū)動(dòng)鏈及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)行拉錨仿真模擬試驗(yàn)?；谌S模型和虛擬樣機(jī)，智能仿真模擬拉錨可以清楚地看到拉錨過程中錨系的運(yùn)動(dòng)、外板和球鼻艏間距、錨收放時(shí)進(jìn)入錨鏈筒的翻轉(zhuǎn)、錨和錨唇的貼合情況等錨系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，查看任意角度、任意節(jié)點(diǎn)的實(shí)體剖面情況，提示出現(xiàn)的刮擦卡位現(xiàn)象和調(diào)整方向。達(dá)到合理效果后，檢查錨唇各剖面尺寸、錨鏈筒尺寸、錨鏈筒上下開口定位等參數(shù)，輸出二維CAD放樣圖、布置圖和全方位仿真視頻，供現(xiàn)場生產(chǎn)使用。

起錨動(dòng)力學(xué)分析：錨鏈從水中提升起來到收回到錨鏈艙中這個(gè)過程，屬于質(zhì)量增加情況下的變質(zhì)量動(dòng)力學(xué)問題。假設(shè)提起的錨鏈部分的質(zhì)量為m，隨著拉錨過程，錨鏈提起的質(zhì)量不斷增加。在錨機(jī)拉力F1、拉起的錨鏈的重力G1、錨鏈?zhǔn)芩牧2，假設(shè)錨鏈環(huán)是均勻密度ρ，得方程

在拉錨過程中，分別對(duì)恒拉力（根據(jù)規(guī)范計(jì)算為209438.25N）和恒速度（10m/min）下起錨運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 橫拉力和恒速度分析結(jié)果

試驗(yàn)船初次進(jìn)行仿真拉錨動(dòng)態(tài)模擬時(shí)錨在經(jīng)球鼻艏上升、錨桿接觸錨唇和進(jìn)入錨鏈筒階段都沒有問題，但錨爪接觸錨唇并進(jìn)行貼合翻轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象（可見圖5 木模拉錨試驗(yàn)和仿真拉錨試驗(yàn)對(duì)比）。通仿真系統(tǒng)多維度剖解演示，發(fā)現(xiàn)錨桿不在錨鏈筒中心位置，需要減小錨鏈筒中心線與垂線的夾角。修改后進(jìn)行仿真拉錨動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)船錨上升、錨爪翻轉(zhuǎn)、接觸錨唇、沿著錨唇滑動(dòng)、與錨唇貼合一系列動(dòng)作，最終錨座及兩個(gè)錨爪都與錨唇緊密貼合，形成三點(diǎn)定位的穩(wěn)固受力狀態(tài)，如圖4。調(diào)整錨不同的初始平衡位置并改變收放錨速度，反復(fù)多次驗(yàn)證，錨均能順利收入和放出錨鏈筒，智能仿真錨系布置及拉錨動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)完成。

圖4 錨與錨唇貼合正視、側(cè)剖視圖

3 木模拉錨與仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證智能仿真拉錨系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)船的智能錨系三維模型布置導(dǎo)出錨系二維CAD 圖紙，包括初始錨系布置圖和仿真拉錨修改后的布置圖，按照智能仿真系統(tǒng)錨系布置和拉錨試驗(yàn)的過程進(jìn)行木模制作和木模拉錨試驗(yàn)。木模船體分段及錨鏈筒、錨唇等部件首先按初始錨系布置裝配后進(jìn)行木模拉錨試驗(yàn)，結(jié)果出現(xiàn)與智能仿真系統(tǒng)初次拉錨狀況同樣的卡錨現(xiàn)象，如下圖5。

圖5 木模與仿真拉錨卡錨位置對(duì)比

按照智能仿真系統(tǒng)修改過程進(jìn)行木模修改，重新進(jìn)行木模拉錨試驗(yàn)，拉錨過程和貼合效果與智能仿真拉錨一致，如圖6，從而驗(yàn)證了智能仿真拉錨技術(shù)是可靠和準(zhǔn)確的。

圖6 木模與仿真拉錨貼合情況對(duì)比

4 錨系分段安裝及拉錨試驗(yàn)

智能仿真錨系布置及拉錨仿真試驗(yàn)提升了錨系生產(chǎn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性和快速性，使安裝時(shí)機(jī)能夠跟上船體分段建造的節(jié)點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)錨系安裝工序前移到分段進(jìn)行，分段時(shí)期的敞開結(jié)構(gòu)能夠有效改善施工空間和環(huán)境，尤其是斜插構(gòu)件錨鏈筒和在曲率外板安裝的錨唇的裝焊難度大大降低，變仰焊為平焊，安裝空間增大，使安裝工藝簡化，建造精度提高。施工時(shí)除參照?qǐng)D紙外還可以隨時(shí)多角度觀看虛擬仿真視頻中各部件的定位和結(jié)構(gòu)關(guān)系等，重點(diǎn)需要確保錨鏈筒上下出口定位及開孔準(zhǔn)確并控制裝焊焊接變形[8]。除了錨鏈筒部件和錨唇部件外，錨機(jī)基座、錨鏈管部件、錨鏈艙眼環(huán)及棄錨器等均在分段階段安裝，安裝空間和環(huán)境好，且減少船臺(tái)周期。但導(dǎo)鏈滾輪掣鏈器需要等船臺(tái)上安裝錨機(jī)、錨鏈和錨等設(shè)備后進(jìn)行安裝調(diào)整。

試驗(yàn)船錨機(jī)為電動(dòng)錨機(jī)，供電后拉錨試驗(yàn)即可在船臺(tái)進(jìn)行，實(shí)船拉錨試驗(yàn)首次成功，通過多次試驗(yàn)，拋收錨過程流暢順利，無卡阻和刮擦現(xiàn)象，錨收起后與錨唇貼合緊密，固定牢固。

在船舶下水后的系泊試驗(yàn)和海上試驗(yàn)中，又進(jìn)行了多次反復(fù)快慢收拋錨試驗(yàn)，效果均和船臺(tái)首次拉錨試驗(yàn)一致，效果良好，最終完成的實(shí)船錨系安裝情況如下圖7。

圖7 實(shí)船錨和錨唇貼合良好

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用錨系智能仿真技術(shù)，可視化錨系多維度空間布置，還原實(shí)船安裝和操作環(huán)境，提高布置精度，縮短設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期，優(yōu)化了船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

（2）通過木模放樣還原智能仿真的問題過程和解決過程，驗(yàn)證了智能仿真技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性。

（3）縮短了船臺(tái)建造周期，實(shí)船拉錨一次成功，后經(jīng)船臺(tái)和水下多次拉錨試驗(yàn)，成功率100%，提升了船舶建造精度。

（4）隨著智能造船技術(shù)的發(fā)展，錨系智能仿真和分段安裝技術(shù)將為精度造船、綠色造船和智能造船提供有效技術(shù)支持。