基于仿真的锚系设计优化.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.基于仿真的锚系设计优化陈正云何成能肖浩刘志强(.上海外高桥造船有限公司上海.江苏科技大学江苏 镇江)摘 要:针对拉锚试验出现的问题以及传统二维锚系设计周期长、成本高的现状进行全新的锚系交互设计利用拉锚仿真软件对邮轮现有锚系设计进行验证自主设计全新的锚唇线型快速将二维设计转化为三维数字模型并进行数字验证缩短设计周期经过仿真可以提前发现问题直接在软件中修改模型直至生成最终方案保障木模试验的成功率有效降低时间和成本消耗关键词:锚设备拉锚虚拟仿真运动模拟锚唇设计三维交互设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:陈正云()女硕士高级工程师研究方向:船舶舾装设计 锚泊是船舶主要的停泊方式之一对于船舶航行安全性有重要影响 因此锚设备的抛、拉锚顺畅性设备使用的便利性等设备使用性能以及有无其他异常情况等一直以来都是船东和船级社较为关注的验收项目 为了验证设计的合理性传统方法是进行木模拉锚试验根据拉锚实验中出现诸如锚碰撞外板、锚链碰撞锚链筒等情况再修改锚唇的曲面外形锚链筒位置等等之后再将修改后的设计通过木模试验进行验证 通过对木模实验修改木模试验的流程的不断反复最后才能得到较为理想的设计结果 显然这种做法周期长成本高 为此考虑在大型邮轮建造前期引入了拉锚仿真软件对大型邮轮的锚系设计进行了仿真验证 锚系设计要求和主要问题.锚系布置要求受制于艏部甲板空间大小锚系布置首先考虑甲板机械的布置对于艏楼甲板充裕的大型船舶常采用卧式锚机以便于后续锚系布置 而作为非标件的锚链筒及凸台和锚唇等是锚系布置能否成功的关键所以锚系布置通常在总布置图、线型图和锚链舱布置确定后再进行综合考虑锚链筒的主要设计要求为:合理选择锚链筒轴线与船舶垂线夹角以保证起锚、抛锚过程顺畅同时避免锚链筒出口过低使锚的收藏位置在满载时离水线过近选择合理锚链筒下口位置使锚在运动中保持离船壳有至少 以上间距锚台和锚唇的外形设计应首先确定锚泊布置然后根据锚链筒的位置、锚的形式和大小以及外板的线型进行锚唇的设计 锚唇就是锚链筒外板出口处由钢板和铸钢构成的凸缘作用是减少锚链与船体外板的摩擦并使得在起锚时锚杆顺利地进入锚链筒和在抛锚时又能轻易地离开锚链筒用于锚冠和锚唇互相贴紧防止锚的松动 锚台和锚唇设计原则:锚收存后能与锚唇贴合紧密拉锚时应避免卡锚现象并避免锚碰船壳外板抛锚时避免锚爪接触船壳外板锚唇外部线型光顺锚唇厚度满足强度的要求 锚唇高度应包含锚唇内侧全部的圆弧曲面圆弧曲面至少支撑 个链环见图 图 锚台和锚唇分隔示意.主要问题)锚爪无法贴合与锚唇之间间隙很大导致锚爪与锚唇间产生撞击影响使用寿命)锚唇出口的口径较小当缓慢放锚链锚 年第 期陈正云等:基于仿真的锚系设计优化陈正云船海工程第 卷卸扣通过锚唇孔时转环卸扣宽度方向横卡在锚唇开口的短轴方向无法在重力作用顺利下落)锚链在起锚的过程中发生扭转当情况轻微时影响起锚速度当扭转现象严重时会发生掣链器的跳链现象综上所述锚系设计是空间几何曲面设计传统设计方法是通过基本型类推进行二维设计而锚系运动是在多动态力约束下的非线性多体动力学运动目前缺少精确的解析设计方法只能通过木模试验反复验证设计合理性 基于传统二维设计加木模试验方式的固有特点面临的问题有:周期长、成本高、误差大、修改指向性差、无法模拟实际船态 仿真技术在锚系布置中的应用完善设计传统的木模验证试验流程见图 图 木模实验流程此过程若结果不理想则需要多次进行木模试验 随着/技术的发展 数字仿真技术甚至数字孪生技术的不断发展使得其仿真结果变得愈发贴近现实其置信度也可为工程应用所接受导入仿真技术的验证流程见图 利用仿真技术可以在设计前期对相对不成熟的布置方案进行快速验证迭代最终确定一个相对成熟的方案 由于算力的限制会对数字模型进行一定程度的简化还需要实际木模验证但对于已经相对成熟的方案其木模实验结果与仿真结果相差不远异常情况发生的可能性较小由此可以大大减少木模试验的次数以达到降本增效的目的 实船应用针对在建大型邮轮已有的锚系布置方案借图 拉锚仿真流程助仿真软件直接建模、装配、仿真可以直观显示锚链锚柄在锚链筒中的运动情况以及锚唇最终的贴合状态 此次锚系仿真的是锚穴结构创建的锚系三维虚拟样机模型总布置见图)长链收锚过程中锚中心线距离球鼻艏部的最近距离是 减去锚的宽 间隙是 (/)见图)最终贴合状态如图)图 邮轮锚系仿真验证以某型船为例从全新的锚系布置开始借助仿真软件交互设计逐步优化锚系布置以及自主设计出全新的锚唇 该船采用平衡型的大抓力锚 目前平衡锚和非平衡锚的价格接近并且平衡锚锚爪翻身相对容易锚唇形状左右对称便于现场施工安装 年第 期陈正云等:基于仿真的锚系设计优化船海工程第 卷.数字原型建立及仿真设置首先根据实际船型情况设绘出二维锚系布置图在 中先初步确定锚唇、锚台中心剖面的轮廓线以便在 中三维建模时二轨扫掠见图 图 锚台锚唇中心轮廓线根据锚唇设计原则先初步确定锚唇垂直剖面的线型 根据横截面建立锚唇锚台三维模型 仿真所需的各锚系组件全部建模完成后再按照锚系布置图中的各组件间的相应位置几何约束对这些部件进行装配选取起锚过程中一个相对合适的位置调整锚链和锚的空间位置完成装配然后进行后续仿真设置装配完成的模型见图 图 锚唇三维模型及全模型装配体目前所使用的 软件已经经过二次开发其中的组件大大简化了锚系运动仿真的设置流程这些组件可对运动部件的连杆定义进行批量处理快速设置连杆间的接触属性和摩擦系数见图 为了减少计算时间仿真过程经过一定的简化起锚速度固定为 /即 /.仿真分析求解器在计算完成后会产生动画文件和载荷传递记录等文件 通过这些数据便可分析在仿真中锚系各组件在各时刻的运动状态判断运行是否出现异常 通过仿真结果验证设计是否合理主要包括动态验证和静态验证两方面 其中图 三维组件接触设置动态验证主要包括锚运动时与船壳外板距离锚是否能顺利翻转各运动机构在过程中是否有运动干涉或碰撞锚链是否存在扭转等 而静态验证则主要包括了锚在收藏位置时是否为多点贴合以保持稳定锚张合的的角度是否超过限制等若分析结果出现异常则修改设计再重复验证直至满足锚系设计要求 验证流程见图 图 验证流程设计仿真结果见图 根据图 所示在动态过程中锚始终离船壳外板有较大的安全距离同时各机构运动顺畅同时在稳定状态锚的贴合状况较好但是由于锚链筒的长度较长尽管其轴线与船垂线夹角已经较大但锚链在重力作用下下垂较为明显致使锚链在运动过程中的较长时间内与锚链筒下壁接触见图 因此按此设计建造实船可能存在下锚链筒和锚链磨损严重而影响使用 同时在收藏位置锚卸扣离锚链筒上壁位置过近可能发生碰撞 年第 期陈正云等:基于仿真的锚系设计优化陈正云船海工程第 卷图 仿真结果(运动和贴合)图 运动中锚链在锚链筒内状态.优化设计及其仿真结果针对仿真结果所反馈出的问题对原设计进行修改 具体为调整掣链器的导链滚轮的位置以解决锚链下垂问题调整锚台平面和锚链筒轴线的夹角以压低锚的收藏位置避免锚柄卸扣碰撞顶到锚链筒上壁的问题 根据修改方案重复建模、设置及仿真结果见图 图 修改后仿真结果仿真结果显示修改后的设计解决了上述问题同时没有新的异常情况出现 根据最终锚台和锚唇三维模型剖出锚台锚唇 个剖面线型提交给木工间放样使用见图 图 锚唇锚台线型剖面早期设计全新的锚唇线型需木工间不断放样试验锚唇线型的调整和制作需要耗费大量时间完整制作一个锚唇得出木模试验结果大约 并且根据试验结果如何对木模锚唇线型修改需要木工师傅有很强的拉锚经验 而三维交互设计降低了木模制作的难度前期规避了拉锚试验锚系静态和动态问题提高了木模试验的成功率缩短了木模试验周期一次性木模试验成功 木模结果和仿真结果见图 木模验证的结果显示修改后的设计方案在运动中没有干涉收藏状态贴合良好符合设计要求可以进行后续建造 同时木模结果也和数字仿真结果非常接近证明数字仿真的结果足够作为设计修改的参考依据图 木模实验结果和仿真贴合位置比较 结论通过数字化建模和数字仿真可以快速将二维设计转化为三维数字模型并进行数字验证提前规避问题缩短设计周期保障木模试验的成功率 并且通过三维仿真的交互设计可以快速设计新的锚唇线型在木模试验前期发现问题直接在仿真阶段不断迭代生成成熟的设计方案优化锚系布置大大减少木模试验的次数和成本 此技术可推广后续船的锚系设计生成锚系案例数据 年第 期陈正云等:基于仿真的锚系设计优化船海工程第 卷库实现后续船锚系标准化助力造船事业高质量发展参考文献 中国船舶工业集团公司中国船舶重工集团公司中国造船工程学会.船舶实用设计手册.舾装分册.版.北京:国防工业出版社.孙大虎孙华伟.多用途船锚系布置方案的设计.船舶设计通讯(增刊):.邱小虎王明强刘志强等.吨级散货船锚唇设计及拉锚试验仿真分析.造船技术():.凌世豪.船舶锚唇设计.版.北京:国防工业出版社:.于刚.简述锚系设计.船舶设计通讯(增刊):.沈治平.基于链径的锚唇厚度基准研究.上海造船():.(.):.:(上接第 页)(.):.: