基于仿真的錨系設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳正云,何成能,肖浩,劉志強(qiáng)

(1.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

錨泊是船舶主要的停泊方式之一,對(duì)于船舶航行安全性有重要影響[1]。因此錨設(shè)備的拋、拉錨順暢性,設(shè)備使用的便利性等設(shè)備使用性能,以及有無其他異常情況等,一直以來都是船東和船級(jí)社較為關(guān)注的驗(yàn)收項(xiàng)目。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,傳統(tǒng)方法是進(jìn)行木模拉錨試驗(yàn),根據(jù)拉錨實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)諸如錨碰撞外板、錨鏈碰撞錨鏈筒等情況,再修改錨唇的曲面外形,錨鏈筒位置等等,之后再將修改后的設(shè)計(jì)通過木模試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[2-3]。通過對(duì)木模實(shí)驗(yàn)-修改-木模試驗(yàn)的流程的不斷反復(fù),最后才能得到較為理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。顯然,這種做法周期長(zhǎng),成本高。為此,考慮在大型郵輪建造前期,引入了拉錨仿真軟件對(duì)大型郵輪的錨系設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 錨系設(shè)計(jì)要求和主要問題

1.1 錨系布置要求

受制于艏部甲板空間大小,錨系布置首先考慮甲板機(jī)械的布置,對(duì)于艏樓甲板充裕的大型船舶,常采用臥式錨機(jī),以便于后續(xù)錨系布置。而作為非標(biāo)件的錨鏈筒及凸臺(tái)和錨唇等是錨系布置能否成功的關(guān)鍵[4],所以,錨系布置通常在總布置圖、線型圖和錨鏈艙布置確定后再進(jìn)行綜合考慮。

錨鏈筒的主要設(shè)計(jì)要求為:合理選擇錨鏈筒軸線與船舶垂線夾角,以保證起錨、拋錨過程順暢,同時(shí)避免錨鏈筒出口過低使錨的收藏位置在滿載時(shí)離水線過近;選擇合理錨鏈筒下口位置,使錨在運(yùn)動(dòng)中保持離船殼有至少300 mm以上間距。

錨臺(tái)和錨唇的外形設(shè)計(jì)應(yīng)首先確定錨泊布置,然后根據(jù)錨鏈筒的位置、錨的形式和大小以及外板的線型進(jìn)行錨唇的設(shè)計(jì)。錨唇就是錨鏈筒外板出口處,由鋼板和鑄鋼構(gòu)成的凸緣,作用是減少錨鏈與船體外板的摩擦,并使得在起錨時(shí)錨桿順利地進(jìn)入錨鏈筒和在拋錨時(shí)又能輕易地離開錨鏈筒,用于錨冠和錨唇互相貼緊,防止錨的松動(dòng)。錨臺(tái)和錨唇設(shè)計(jì)原則:錨收存后能與錨唇貼合緊密;拉錨時(shí)應(yīng)避免卡錨現(xiàn)象,并避免錨碰船殼外板;拋錨時(shí)避免錨爪接觸船殼外板;錨唇外部線型光順;錨唇厚度滿足強(qiáng)度的要求。錨唇高度應(yīng)包含錨唇內(nèi)側(cè)全部的圓弧曲面,圓弧曲面至少支撐3個(gè)鏈環(huán),見圖1。

圖1 錨臺(tái)和錨唇分隔示意

1.2 主要問題

1)錨爪無法貼合,與錨唇之間間隙很大,導(dǎo)致錨爪與錨唇間產(chǎn)生撞擊,影響使用壽命。

2)錨唇出口的口徑較小,當(dāng)緩慢放錨鏈,錨卸扣通過錨唇孔時(shí),轉(zhuǎn)環(huán)卸扣寬度方向橫卡在錨唇開口的短軸方向,無法在重力作用順利下落。

3)錨鏈在起錨的過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn),當(dāng)情況輕微時(shí),影響起錨速度,當(dāng)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí),會(huì)發(fā)生掣鏈器的跳鏈現(xiàn)象。

綜上所述,錨系設(shè)計(jì)是空間幾何曲面設(shè)計(jì),傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是通過基本型類推,進(jìn)行二維設(shè)計(jì);而錨系運(yùn)動(dòng)是在多動(dòng)態(tài)力約束下的非線性多體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng),目前缺少精確的解析設(shè)計(jì)方法,只能通過木模試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性?；趥鹘y(tǒng)二維設(shè)計(jì)加木模試驗(yàn)方式的固有特點(diǎn),面臨的問題有:周期長(zhǎng) 、成本高 、誤差大 、修改指向性差 、無法模擬實(shí)際船態(tài) 。

2 仿真技術(shù)在錨系布置中的應(yīng)用

完善設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的木模驗(yàn)證試驗(yàn)流程見圖2。

圖2 木模實(shí)驗(yàn)流程

此過程,若結(jié)果不理想,則需要多次進(jìn)行木模試驗(yàn)。隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字仿真技術(shù)甚至數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展,使得其仿真結(jié)果變得愈發(fā)貼近現(xiàn)實(shí),其置信度也可為工程應(yīng)用所接受,導(dǎo)入仿真技術(shù)的驗(yàn)證流程見圖3。

圖3 拉錨仿真流程

利用仿真技術(shù),可以在設(shè)計(jì)前期對(duì)相對(duì)不成熟的布置方案進(jìn)行快速驗(yàn)證迭代,最終確定一個(gè)相對(duì)成熟的方案。由于算力的限制,會(huì)對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化,還需要實(shí)際木模驗(yàn)證。但對(duì)于已經(jīng)相對(duì)成熟的方案,其木模實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相差不遠(yuǎn),異常情況發(fā)生的可能性較小。由此,可以大大減少木模試驗(yàn)的次數(shù),以達(dá)到降本增效的目的。

3 實(shí)船應(yīng)用

針對(duì)在建大型郵輪已有的錨系布置方案,借助仿真軟件直接建模、裝配、仿真,可以直觀顯示錨鏈錨柄在錨鏈筒中的運(yùn)動(dòng)情況以及錨唇最終的貼合狀態(tài)。此次錨系仿真的是錨穴結(jié)構(gòu),創(chuàng)建的錨系三維虛擬樣機(jī)模型總布置見圖4a)。長(zhǎng)鏈?zhǔn)斟^過程中,錨中心線距離球鼻艏部的最近距離是2 078 mm,減去錨的寬1 760 mm,間隙是318 mm(2078-(3520/2)=318)見圖4b),最終貼合狀態(tài)如圖4c)。

圖4 郵輪錨系仿真驗(yàn)證

以某型船為例,從全新的錨系布置開始,借助仿真軟件交互設(shè)計(jì)逐步優(yōu)化錨系布置,以及自主設(shè)計(jì)出全新的錨唇。該船采用平衡型的大抓力錨。目前平衡錨和非平衡錨的價(jià)格接近,并且平衡錨錨爪翻身相對(duì)容易,錨唇形狀左右對(duì)稱,便于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝。

3.1 數(shù)字原型建立及仿真設(shè)置

首先,根據(jù)實(shí)際船型情況設(shè)繪出二維錨系布置圖,在CAD中先初步確定錨唇、錨臺(tái)中心剖面的輪廓線,以便在UG中三維建模時(shí)二軌掃掠,見圖5。

圖5 錨臺(tái)錨唇中心輪廓線

根據(jù)錨唇設(shè)計(jì)原則先初步確定錨唇垂直剖面的線型。根據(jù)橫截面建立錨唇錨臺(tái)三維模型。仿真所需的各錨系組件全部建模完成后,再按照錨系布置圖中的各組件間的相應(yīng)位置幾何約束對(duì)這些部件進(jìn)行裝配;選取起錨過程中一個(gè)相對(duì)合適的位置,調(diào)整錨鏈和錨的空間位置完成裝配,然后進(jìn)行后續(xù)仿真設(shè)置,裝配完成的模型見圖6。

圖6 錨唇三維模型及全模型裝配體

目前所使用的UG軟件已經(jīng)經(jīng)過二次開發(fā),其中的組件大大簡(jiǎn)化了錨系運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)置流程,這些組件可對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的連桿定義進(jìn)行批量處理,快速設(shè)置連桿間的接觸屬性和摩擦系數(shù),見圖7。為了減少計(jì)算時(shí)間,仿真過程經(jīng)過一定的簡(jiǎn)化,起錨速度固定為9 m/min,即150 mm/s。

圖7 三維組件接觸設(shè)置

3.2 仿真分析

求解器在計(jì)算完成后會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫文件和載荷傳遞記錄等文件。通過這些數(shù)據(jù),便可分析在仿真中錨系各組件在各時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),判斷運(yùn)行是否出現(xiàn)異常。通過仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理主要包括動(dòng)態(tài)驗(yàn)證和靜態(tài)驗(yàn)證兩方面[5]。其中,動(dòng)態(tài)驗(yàn)證主要包括錨運(yùn)動(dòng)時(shí)與船殼外板距離,錨是否能順利翻轉(zhuǎn),各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在過程中是否有運(yùn)動(dòng)干涉或碰撞,錨鏈?zhǔn)欠翊嬖谂まD(zhuǎn)等。而靜態(tài)驗(yàn)證則主要包括了錨在收藏位置時(shí)是否為多點(diǎn)貼合以保持穩(wěn)定,錨張合的的角度是否超過限制等。若分析結(jié)果出現(xiàn)異常,則修改設(shè)計(jì),再重復(fù)驗(yàn)證,直至滿足錨系設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證流程見圖8。

圖8 驗(yàn)證流程

設(shè)計(jì)仿真結(jié)果見圖9。根據(jù)圖9所示,在動(dòng)態(tài)過程中,錨始終離船殼外板有較大的安全距離,同時(shí)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順暢,同時(shí)在穩(wěn)定狀態(tài),錨的貼合狀況較好。

圖9 仿真結(jié)果(運(yùn)動(dòng)和貼合)

但是,由于錨鏈筒的長(zhǎng)度較長(zhǎng),盡管其軸線與船垂線夾角已經(jīng)較大,但錨鏈在重力作用下,下垂較為明顯,致使錨鏈在運(yùn)動(dòng)過程中的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)與錨鏈筒下壁接觸,見圖10。因此,按此設(shè)計(jì)建造,實(shí)船可能存在下錨鏈筒和錨鏈磨損嚴(yán)重而影響使用[6]。同時(shí),在收藏位置,錨卸扣離錨鏈筒上壁位置過近,可能發(fā)生碰撞。

圖10 運(yùn)動(dòng)中錨鏈在錨鏈筒內(nèi)狀態(tài)

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及其仿真結(jié)果

針對(duì)仿真結(jié)果所反饋出的問題,對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。具體為調(diào)整掣鏈器的導(dǎo)鏈滾輪的位置以解決錨鏈下垂問題;調(diào)整錨臺(tái)平面和錨鏈筒軸線的夾角,以壓低錨的收藏位置,避免錨柄卸扣碰撞頂?shù)藉^鏈筒上壁的問題。根據(jù)修改方案,重復(fù)建模、設(shè)置及仿真,結(jié)果見圖11。

圖11 修改后仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示,修改后的設(shè)計(jì)解決了上述問題,同時(shí)沒有新的異常情況出現(xiàn)。根據(jù)最終錨臺(tái)和錨唇三維模型,剖出錨臺(tái)錨唇8個(gè)剖面線型,提交給木工間放樣使用,見圖12。

圖12 錨唇錨臺(tái)線型剖面

早期設(shè)計(jì)全新的錨唇線型需木工間不斷放樣試驗(yàn),錨唇線型的調(diào)整和制作需要耗費(fèi)大量時(shí)間,完整制作一個(gè)錨唇得出木模試驗(yàn)結(jié)果大約15 d。并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果如何對(duì)木模錨唇線型修改,需要木工師傅有很強(qiáng)的拉錨經(jīng)驗(yàn)。而三維交互設(shè)計(jì)降低了木模制作的難度,前期規(guī)避了拉錨試驗(yàn)錨系靜態(tài)和動(dòng)態(tài)問題,提高了木模試驗(yàn)的成功率,縮短了木模試驗(yàn)周期,一次性木模試驗(yàn)成功。木模結(jié)果和仿真結(jié)果見圖13。

圖13 木模實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真貼合位置比較

木模驗(yàn)證的結(jié)果顯示,修改后的設(shè)計(jì)方案在運(yùn)動(dòng)中沒有干涉,收藏狀態(tài)貼合良好,符合設(shè)計(jì)要求,可以進(jìn)行后續(xù)建造。同時(shí),木模結(jié)果也和數(shù)字仿真結(jié)果非常接近,證明數(shù)字仿真的結(jié)果足夠作為設(shè)計(jì)修改的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

通過數(shù)字化建模和數(shù)字仿真,可以快速將二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型并進(jìn)行數(shù)字驗(yàn)證,提前規(guī)避問題,縮短設(shè)計(jì)周期,保障木模試驗(yàn)的成功率。并且通過三維仿真的交互設(shè)計(jì)可以快速設(shè)計(jì)新的錨唇線型,在木模試驗(yàn)前期發(fā)現(xiàn)問題,直接在仿真階段不斷迭代生成成熟的設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化錨系布置,大大減少木模試驗(yàn)的次數(shù)和成本。此技術(shù)可推廣后續(xù)船的錨系設(shè)計(jì),生成錨系案例數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)后續(xù)船錨系標(biāo)準(zhǔn)化,助力造船事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。