基于Solidworks 的拉錨速度對拉錨影響的仿真分析

陳 壯，張夢婷，曾 巍，盧慧敏

（1.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203；2.中船外高橋郵輪供應(yīng)鏈（上海）有限公司，上海 200137）

1 前言

錨是船停泊時所用的設(shè)備，其作用主要是依靠錨和錨鏈的重力插入海底，以達到在淺海和港灣固定、穩(wěn)定船的目的。船舶航行過程中，考慮到船艏部上浪沖擊等因素，通常設(shè)有錨唇或錨穴以可靠的收緊船錨，避免其擦碰船體損害船體結(jié)構(gòu)。停航時拋錨和航行時收錨，通常都是由船舶液壓（或電動）錨機來完成，而各船級社規(guī)范對錨機性能的要求，通常為根據(jù)錨鏈直徑和錨鏈等級計算的錨機負載下，錨機能連續(xù)工作30 min（平均的拉錨速度應(yīng)不小于9 m/min），而拉錨速度的大小直接影響整個拉錨過程的穩(wěn)定性，過大的拉錨速度會對錨系其他部件產(chǎn)生損害，影響船舶的航行安全。

雖然目前已經(jīng)有眾多船舶甲板機械廠商開發(fā)了各型自動液壓錨機，可以自動控制錨機拉錨速度，通過錨鏈長度傳感器感應(yīng)錨鏈拋出長度，在檢測到錨鏈拋出長度達到設(shè)定拋出長度后，錨機可自動停止；檢測到錨桿即將靠近或者進入錨鏈筒時，錨機接受反饋信號可自動減速；在錨爪穩(wěn)定收靠后，錨機接受反饋信號可自動停車。但是大部分船東考慮成本因素，并未配備帶有錨鏈長度傳感器的自動液壓錨絞機，考慮到手動控制錨機拉錨速度時可能會出現(xiàn)拉錨速度過大或者太小，因此在設(shè)計階段對拉錨速度對船舶拉錨狀態(tài)的影響進行分析是很有必要的。

在船舶詳細設(shè)計階段，分析拉錨速度對船舶拉錨狀態(tài)影響的方法通常有兩種：一是船舶木模拉錨試驗，通過搭建一定縮比的船艏部及錨系部件木質(zhì)模型，對船舶拉錨過程進行模擬。該方法作為傳統(tǒng)拉錨試驗方案，在主流船廠使用度較高，但是對于需要比較不同拉錨速度下的錨系各部件運動狀態(tài)，由于木質(zhì)模型和實際錨系材料在摩擦系數(shù)、材料密度等方面差別較大，以及縮比后主尺度的影響，此方案的準確度不是太高；二是使用三維軟件對船舶拉錨、拋錨過程進行仿真模擬，常用的包括Solidworks、UG 等軟件[1]，三維軟件拉錨仿真相比于木模拉錨試驗優(yōu)勢較為明顯：首先，三維軟件拉錨仿真單次模擬時間約為8～10 h，而木模拉錨試驗單次時間約為10～15 天；其次，木模拉錨試驗無法精確模擬鋼與鋼接觸的動、靜摩擦系數(shù)，無法模擬錨、錨桿及錨鏈的運動狀態(tài)細節(jié)；最后，初次拉錨試驗結(jié)果不理想修改方案后，木模拉錨試驗需要重新制作木模，耗費時間、物料及人力，成本極高。

Solidworks 作為工程領(lǐng)域使用最廣的三維軟件，在其Motion 環(huán)境下通過設(shè)置模型零部件的材料特性、零部件間的接觸特性參數(shù)、零部件上的負載、速度及加速度等特性，可對模型各零部件在設(shè)定條件下的運動狀態(tài)進行仿真分析，并可以輸出各零部件的速度、加速度及負載等數(shù)據(jù)，以便對其運動特性進行圖形化分析[2]?；赟olidworks/Motion 在運動仿真分析方面的特點及優(yōu)勢，本文確定使用Solidworks/Motion 來模擬分析不同拉錨速度下的船舶拉錨狀態(tài)。

2 錨系模型建立

本文以中國船舶集團上海船舶研究設(shè)計院設(shè)計的某型70 000 DWT 木屑船錨系為研究對象，搭建其錨系三維模型并進行動態(tài)仿真分析?？紤]到Rhino 軟件在曲面處理方面的能力，錨系模型中需要曲面建模的錨唇、錨臺及船艏部模型在Rhino 軟件中建模后導(dǎo)入Solidworks 生成模型，其他錨系部件模型包括錨、錨桿、錨鏈、錨鏈筒及導(dǎo)鏈滾輪在Solidworks 中建模；錨系各部件模型建立后，根據(jù)錨系布置圖定位尺寸在Solidworks 中完成錨系模型的裝配，如圖1 所示。

圖1 錨系三維裝配模型透視圖

本文拉錨仿真目的，是分析不同拉錨速度下的船舶拉錨狀態(tài)，比較不同拉錨速度下錨系部件的運動特性，為實船拉錨速度提供較為可靠的理論依據(jù)。由于Solidworks/Motion 仿真分析時間受模型零部件數(shù)量及零部件間接觸精度影響較大，設(shè)定合理的錨至錨唇處的普通錨鏈環(huán)數(shù)量，既能觀察拉錨過程中錨系組件的運動狀態(tài)，也能在一定程度上減小仿真時間，提高仿真效率。

2.1 錨及錨鏈三維模型

根據(jù)詳細設(shè)計錨系布置圖等，輸入?yún)?shù)建立錨、錨桿及錨鏈的三維模型并進行模型裝配，如圖2 所示。其中，錨為平衡大抓力錨，錨重為9 225 kg，錨爪與錨桿角度限制為±35°，錨鏈直徑為87 mm。

圖2 錨及錨鏈三維模型

2.2 錨鏈與錨唇

模型中運動部件速度和力的突變會影響仿真的穩(wěn)定性，為保證模型在仿真初始狀態(tài)的穩(wěn)定性，按照常規(guī)設(shè)計方案設(shè)置3 個普通鏈環(huán)與錨唇下口接觸，如圖3 所示。

圖3 錨唇下口處錨鏈狀態(tài)

2.3 導(dǎo)鏈滾輪三維模型

考慮到零部件數(shù)量對仿真速度的影響及導(dǎo)鏈滾輪的轉(zhuǎn)動與否不會對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，為簡化仿真模型，將滾輪轉(zhuǎn)軸固定并與船首及錨鏈筒整合為單個模型；導(dǎo)鏈滾輪后設(shè)置有3 個普通鏈環(huán)，在自由端錨鏈處可設(shè)置速度驅(qū)動及力驅(qū)動以模擬錨機拉錨實際驅(qū)動情況，導(dǎo)鏈滾輪三維模型，如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)鏈滾輪三維模型

3 Motion 動態(tài)拉錨仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

固定船首模型，裝配體中可運動零部件包括錨爪、錨桿及錨鏈，將可運動零部件調(diào)整至仿真初始狀態(tài)；設(shè)置模型裝配體各零部件材料屬性；設(shè)置裝配體零部件間的實體接觸為鋼與鋼的接觸，包括錨臺錨唇與錨鏈、錨桿及錨的三維實體接觸、普通錨鏈與錨桿卸扣的三維實體接觸、普通錨鏈之間的三維實體接觸及導(dǎo)鏈滾輪與普通錨鏈間的三維實體接觸；設(shè)置模型裝配體重力加速度值及方向；設(shè)置模型驅(qū)動力，為準確模擬船舶拉錨的實際施力情況，本仿真采用速度控制結(jié)合力控制的驅(qū)動方式[3]，在錨爪貼合錨唇之前使用恒定速度的線性馬達驅(qū)動錨鏈自由端，為減小仿真時間，在錨桿進入錨鏈筒之前，線性馬達速度設(shè)定相對較大為15 m/min，在錨桿進入錨鏈筒后線性馬達速度設(shè)定為錨機正常工作速度12 m/min，線性馬達速度設(shè)置如圖5 所示；在錨爪開始接觸錨唇后，在尾端錨鏈處施加恒定拉力，此時拉力通常約為2 倍錨重，此種仿真條件設(shè)置可準確模擬拉錨過程各零部件中的負載情況。

圖5 線性馬達速度設(shè)置

然后，在Solidworks-Motion 模塊-運動算例屬性-Motion 分析中，設(shè)置裝配體模型三維接觸精度；為了獲得較為準確的仿真結(jié)果，三維接觸精度設(shè)置不宜太低，在運動算例屬性-高級選項中設(shè)置Motion 動態(tài)仿真積分器的參數(shù)，最后設(shè)置模型仿真總時間。

3.2 仿真結(jié)果分析

1）拉錨速度12 m/min 仿真分析

輸出拉錨速度為12 m/min 的拉錨仿真結(jié)果，為清楚觀察錨及錨鏈在整個拉錨過程中的運動狀態(tài)，設(shè)置艏部模型為透明且將不同時間下的錨及錨鏈運動狀態(tài)組合，如圖6 所示。

圖6 12 m/min 拉錨試驗仿真結(jié)果

由圖6 可知：在錨桿進入錨鏈筒之前，拉錨速度為15 m/min，錨鏈可平穩(wěn)的通過錨唇進入錨鏈筒；在12 m/min 的拉錨速度下，錨桿可平穩(wěn)的進入錨鏈筒，錨桿端部沒有碰撞錨鏈筒內(nèi)壁；錨爪靠近錨唇后會沿錨唇端面向上滑移，直至錨爪對稱兩點及錨冠一點共三點與錨唇緊密貼合，達到理想的收靠狀態(tài)。

為分析拉錨速度過大或太小時錨爪、錨桿及錨鏈的運動軌跡，將錨桿進入錨鏈筒后錨爪貼合錨唇前的拉錨速度分別設(shè)置為6 m/min 及18 m/min，并進行仿真分析以確定其影響。

2）拉錨速度6 m/min 仿真分析

改變線性馬達設(shè)置參數(shù)：在錨桿進入錨鏈筒之前，線性馬達速度為15 m/min；在錨桿進入錨鏈筒后，線性馬達速度設(shè)定為6 m/min，如圖7 所示。

圖7 線性馬達速度設(shè)置

輸出拉錨速度為6 m/min 的拉錨仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖8 6 m/min 拉錨試驗仿真結(jié)果

由圖8 可知：在錨桿進入錨鏈筒之前，拉錨速度為15 m/min，錨在上升過程中有扭轉(zhuǎn)動作，錨鏈可平穩(wěn)的通過錨唇進入錨鏈筒；錨桿可平穩(wěn)的進入錨鏈筒，錨桿端部沒有碰撞錨鏈筒內(nèi)壁；錨爪靠近錨唇后會沿錨唇端面向上滑移，直至錨上部錨爪對稱兩點及錨下部錨冠一點共三點與錨唇緊密貼合，達到理想的收靠狀態(tài)。

3）拉錨速度18 m/min 仿真分析

改變線性馬達設(shè)置參數(shù)：在錨桿進入錨鏈筒之前，線性馬達速度為15 m/min；在錨桿進入錨鏈筒后，線性馬達速度設(shè)定為18 m/min，如圖9 所示。

圖9 線性馬達速度設(shè)置

輸出拉錨速度為18 m/min 的拉錨仿真結(jié)果，如圖10 所示。

圖10 18 m/min 拉錨試驗仿真結(jié)果

由圖10 可知：在錨桿進入錨鏈筒之前，拉錨速度為15 m/min，錨在上升過程中有扭轉(zhuǎn)動作，錨鏈可平穩(wěn)的通過錨唇進入錨鏈筒；在錨桿進入錨鏈筒的過程中，拉錨速度為18 m/min，此過程中錨桿末端卸扣與錨鏈筒上內(nèi)壁發(fā)生碰撞，如圖11 所示；錨爪靠近錨唇后會沿錨唇端面向上滑移，直至錨上部錨爪對稱兩點及錨下部錨冠一點共三點與錨唇緊密貼合，達到理想的收靠狀態(tài)。

圖11 錨桿末端卸扣與錨鏈筒上內(nèi)壁碰撞

由不同拉錨速度下拉錨仿真結(jié)果可知：過大的拉錨速度，會導(dǎo)致錨桿末端卸扣與錨鏈筒內(nèi)壁多次碰撞?？紤]到錨鏈筒上部通常做的比下部薄，這種碰撞會對錨鏈筒強度產(chǎn)生較大的沖擊損傷，需要盡量避免。

4 結(jié)語

本文以某70 000 DWT 木屑船錨系為研究對象，通過基于Solidworks/Motion 的動態(tài)拉錨仿真，分析了不同拉錨速度下錨爪、錨桿及錨鏈的運動軌跡。仿真結(jié)果表明：過大的拉錨速度會導(dǎo)致錨桿末端卸扣與錨鏈筒內(nèi)壁多次碰撞，這種碰撞會對錨鏈筒強度產(chǎn)生沖擊損傷；小于規(guī)范要求的平均拉錨速度拉錨對錨爪、錨桿及錨鏈的運動狀態(tài)影響不大，仿真結(jié)果為實際拉錨操作提供了重要指導(dǎo)。為進一步分析船舶拉錨過程中的影響因素，下一步仿真工作將圍繞風、浪、流等因素對拉錨運動狀態(tài)的影響展開。