單錨腿系泊系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究

陳錦昌， 鄧華東

（華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

在貨船噸位大型化發(fā)展的今天，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是海上進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸中，輪船在港口、碼頭建立的單點(diǎn)系泊碼頭，其相比傳統(tǒng)的碼頭而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。這種系統(tǒng)主要表現(xiàn)為：一是解決了絕大部分港口航道較窄、較淺、規(guī)模較小，不能與大型油輪和超大型油輪發(fā)展相匹配的矛盾；二是受氣候影響較小；三是節(jié)約投資，其費(fèi)用約是建設(shè)一般碼頭的四分之一到三分之一；四是布局受海域的限制較小，并且有一定的靈活性，能充分利用天然水深。在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，單錨腿系泊系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱SALM（Single Anchor Leg Mooring)系統(tǒng)是用得較多的一類。如何對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很有意義的研究。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)各部分的約束分析和關(guān)聯(lián)分析是參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文就SALM系統(tǒng)中約束分析和關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行了研究，在SolidWorks平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)系泊參數(shù)化的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的約束定義和分析

SALM系統(tǒng)主要由沉塊裝置、鏈系、系纜裝置、錨鏈支座（處于浮筒裝置的中心，表達(dá)略去）和浮筒裝置5部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)三維參數(shù)化模型的建立是系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在SALM系統(tǒng)所包含的零部件數(shù)量較多，各種尺寸關(guān)系也十分復(fù)雜，零部件的建模順序以及用戶交互參數(shù)的確定是系統(tǒng)建模前必須確定的兩大關(guān)鍵問(wèn)題。為此，本課題依據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了專門(mén)的研究，并提出了一種系統(tǒng)約束的分析方法，較好地解決了這一問(wèn)題。

圖1 SALM系統(tǒng)

根據(jù)SALM系統(tǒng)的建模需要，進(jìn)行如下定義：

定義1形狀約束：能夠決定零件結(jié)構(gòu)形狀的約束稱為形狀約束。

定義2位置約束：與零部件在空間或裝配體中的位置相關(guān)的約束稱為位置約束。

定義3零件參數(shù)：?jiǎn)为?dú)的零件建模時(shí)，完全定義一個(gè)零件模型時(shí)所需要的所有尺寸參數(shù)稱為零件參數(shù)。

定義4裝配參數(shù)：零部件裝配時(shí)所要求的所有參數(shù)稱為裝配參數(shù)。裝配參數(shù)不僅包括確定零部件相對(duì)位置的定位參數(shù)，還包括裝配體中所要求同一零件的零件數(shù)量的參數(shù)和配合關(guān)系。

定義5主動(dòng)參數(shù)：產(chǎn)品中隨設(shè)計(jì)要求不同而需要用戶交互輸入的參數(shù)稱為主動(dòng)參數(shù)。主動(dòng)參數(shù)可以是零件參數(shù)也可以是裝配參數(shù)。

定義6從動(dòng)參數(shù)：與主動(dòng)參數(shù)相對(duì)，指的是產(chǎn)品中隨著主動(dòng)參數(shù)的變化，各零部件為了滿足功能結(jié)構(gòu)需要能自動(dòng)調(diào)整的參數(shù)稱為從動(dòng)參數(shù)。

定義7關(guān)聯(lián)：在零件間或裝置間有某個(gè)尺寸約束或某種位置約束發(fā)生，則稱兩個(gè)零件或裝置間有關(guān)聯(lián)。

任意零件的約束關(guān)系可歸結(jié)為形狀約束和位置約束兩類，形狀約束決定了零件的參數(shù)，位置約束決定了部件的裝配參數(shù)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)化建模[2-3]就是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及零部件尺寸的分析得出形狀約束和位置約束，從而確定零部件的零件參數(shù)和裝配參數(shù)，再進(jìn)一步確定零件參數(shù)、裝配參數(shù)中哪些是主動(dòng)參數(shù)，哪些是從動(dòng)參數(shù)。主動(dòng)參數(shù)由用戶依據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸輸入的值來(lái)確定，從動(dòng)參數(shù)由主動(dòng)參數(shù)和約束共同作用來(lái)確定，從而確定了整個(gè)系統(tǒng)的三維模型。約束在系統(tǒng)建模過(guò)程中表現(xiàn)為零部件的建模順序、建模的方法以及方程式關(guān)系的添加等手段。

本系統(tǒng)約束分析方法的步驟為：

第1步，把系統(tǒng)拆分成幾個(gè)子裝配體。拆分的原則是把相互間關(guān)聯(lián)較多的幾個(gè)零件看作為一個(gè)子裝配體，在關(guān)聯(lián)較少的零件間看作是子裝配體的拆分處。拆分處最好選在沒(méi)有關(guān)聯(lián)的零件間或只有一個(gè)關(guān)聯(lián)的零件間。這種拆分可以一層一層地進(jìn)行下去，直到零件間的關(guān)聯(lián)、約束分析完成為止。

第2步，在子裝配體拆分后，對(duì)子裝配體進(jìn)行分析。一般來(lái)說(shuō)，先分析與外界發(fā)生關(guān)聯(lián)的子裝配體，此時(shí)可以利用已知的外界條件來(lái)確定子裝配體內(nèi)的一些約束。如果同時(shí)有多個(gè)子裝配體與外界有關(guān)聯(lián)，則選擇能夠影響整個(gè)系統(tǒng)整體定位、總體尺寸的子裝配體開(kāi)始。如果某些子裝配體雖與外界發(fā)生關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)并不能確定子裝配體的內(nèi)部約束，則不選擇這個(gè)子裝配體作為第1個(gè)開(kāi)始分析的子裝配體。這種思想也可以在子裝配體的零件分析中使用，用來(lái)確定此子裝配體中應(yīng)該第1個(gè)建模的零件。

第3步，分析子裝配體內(nèi)部零件間的關(guān)聯(lián)。在分析子裝配體內(nèi)部零件間的關(guān)聯(lián)時(shí)，可能會(huì)遇到兩個(gè)這樣的問(wèn)題，一是當(dāng)A、B兩個(gè)零件相互關(guān)聯(lián)時(shí)，要考慮選擇哪個(gè)零件作為被關(guān)聯(lián)的對(duì)象有利于這個(gè)子裝配體的分析；另一個(gè)是A零件的某個(gè)零件參數(shù)或裝配參數(shù)，既與B零件相關(guān)聯(lián)，也與C零件相關(guān)聯(lián)，那么A零件到底應(yīng)該與哪個(gè)零件發(fā)生關(guān)聯(lián)比較好。對(duì)于第1個(gè)問(wèn)題解決辦法是先根據(jù)第2步的思想找到此子裝配體內(nèi)的決定第1個(gè)建模的零件。對(duì)于第2個(gè)問(wèn)題的解決辦法是盡量讓待確定的零件與已確定的零件間發(fā)生盡可能多的關(guān)聯(lián)，且盡量讓關(guān)聯(lián)集中在較少的零件間發(fā)生，從而確定該零件。

第4步，根據(jù)子裝配體內(nèi)部零件間的關(guān)聯(lián)和已知的外界條件，確定子裝配體內(nèi)部各零件的形狀約束、位置約束，從而確定子裝配體內(nèi)各個(gè)零件的建模順序。

第5步，分析子裝配體內(nèi)所有零件的零件參數(shù)、裝配參數(shù)，確定哪些是主動(dòng)參數(shù)，哪些是從動(dòng)參數(shù)。

系纜裝置作為SALM系統(tǒng)中一個(gè)主要部分，其由系纜眼環(huán)、軸環(huán)、銷軸和開(kāi)口銷4個(gè)零件組成，如圖2所示。在實(shí)際工程中，系纜裝置的系纜眼環(huán)與纜繩連接，銷軸與錨鏈連接，從而實(shí)現(xiàn)錨泊力的傳遞，即此裝置中只有系纜眼環(huán)和銷軸與外界關(guān)聯(lián)。

圖2 系纜裝置

因此，根據(jù)系統(tǒng)約束分析法第2步的思想，系纜眼環(huán)是該裝置第1個(gè)建模的零件，因?yàn)樗绊懻麄€(gè)子裝配體的整體定位，如圖3所示。

圖3 系纜眼環(huán)

結(jié)合系纜裝置實(shí)際設(shè)計(jì)中的一些具體關(guān)系，系纜裝置的約束分析如表1所示。

表1 系纜裝置的約束分析

從以上分析可知，銷軸是參照其他零件較多的零件，而系纜眼環(huán)不需要參照其他零件，再次說(shuō)明系纜眼環(huán)是此裝置中應(yīng)第一個(gè)建模的零件。因此，通過(guò)系纜裝置子裝配體的約束分析，得到子裝配體的建模順序?yàn)椋合道|眼環(huán)→軸環(huán)→銷軸→開(kāi)口銷。

SALM系統(tǒng)的沉塊裝置、鏈系、浮筒裝置等可同理分析，系統(tǒng)的約束定義和分析簡(jiǎn)化了系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

2 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析

對(duì)SALM系統(tǒng)的沉塊裝置、鏈系、系纜裝置、錨鏈支座和浮筒裝置進(jìn)行了約束分析后，還要進(jìn)行系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析確定各裝配體建模的先后。

沉塊裝置是個(gè)又重又大的塊體，重達(dá)幾十噸到上百噸，埋在海底泥面以下；鏈系是一根很長(zhǎng)的鏈條，由普通環(huán)、加大環(huán)、卸扣、末端環(huán)、轉(zhuǎn)環(huán)等組成，一般長(zhǎng)達(dá)百米左右，也有幾百米的；浮筒是系泊系統(tǒng)的主體部件，漂浮在海面上，可以隨著洋流在一定的范圍內(nèi)漂動(dòng)；系纜裝置是連接鏈系與浮筒裝置的中間裝置，同時(shí)還供纜繩連接來(lái)系泊油輪；錨鏈支座在浮筒裝置的中心，是一個(gè)單獨(dú)的零件，是系纜裝置和浮筒裝置的中間

連接部件。整個(gè)SALM系統(tǒng)是沉塊固定在海底，通過(guò)鏈系牽制浮筒和系纜裝置在一定的海面上漂動(dòng)。

鏈系末端與沉塊裝置間的關(guān)聯(lián)，如圖4所示。鏈系末端的末端環(huán)與沉塊裝置的U形鍛件要求應(yīng)能輕松裝配，不能相互卡死，也就是說(shuō)當(dāng)末端環(huán)的尺寸確定后，U形鍛件的直徑應(yīng)有最大值的限制，以及U形鍛件的開(kāi)度應(yīng)有最小值限制。

圖4 鏈系與沉塊裝置間的關(guān)聯(lián)

鏈系上端與系纜裝置、系纜裝置與錨鏈支座、錨鏈支座與浮筒裝置間的關(guān)聯(lián)，如圖5所示。鏈系上端的末端環(huán)與系纜裝置的軸銷、系纜眼環(huán)間裝配好后要求有一定的自由活動(dòng)空間，其間隙取決于經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。錨鏈支座與浮筒裝置的上內(nèi)錐板間有關(guān)聯(lián)，錨鏈支座要求與上內(nèi)錐板的錐面相切接觸，且不能插入浮筒的環(huán)形板內(nèi)。

圖5 鏈系、系纜裝置、錨鏈支座、浮筒裝置間的關(guān)聯(lián)

本系統(tǒng)各子裝配體間的關(guān)聯(lián)如表2所示。

表2 子裝配體間的關(guān)聯(lián)

從表2可知，鏈系和錨鏈支座的關(guān)聯(lián)關(guān)系最多，但錨鏈支座與浮筒裝置的關(guān)聯(lián)在實(shí)際的設(shè)計(jì)中是浮筒裝置決定錨鏈支座，因?yàn)殄^鏈支座只是個(gè)中間連接件，而浮筒裝置是核心部件，所以浮筒裝置應(yīng)該在錨鏈支座前建模。錨鏈支座與系纜裝置的關(guān)聯(lián)是相切接觸，這個(gè)關(guān)聯(lián)不產(chǎn)生零件尺寸約束，所以它們之間的建模次序無(wú)所謂先后。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，浮筒裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)在鏈系之后，因?yàn)楦⊥惭b置浮力要承受鏈系的重力，所以浮筒裝置應(yīng)在鏈系之后建模。鏈系的是標(biāo)準(zhǔn)件，在系統(tǒng)外界的最大系泊力確定后，根據(jù)錨鏈制造標(biāo)準(zhǔn)最容易選定，且鏈系與關(guān)聯(lián)的零件都有尺寸約束，所以鏈系應(yīng)作為第1個(gè)建模的子裝配體。系纜裝置的關(guān)聯(lián)分析如表3所示。

從表3可知，銷軸的關(guān)聯(lián)數(shù)最多，達(dá)到3個(gè)，說(shuō)明該零件不是多數(shù)零件的參照，就是需要參照其他零件較多。SALM系統(tǒng)的沉塊裝置、鏈系、浮筒裝置等的關(guān)聯(lián)分析可同理進(jìn)行。

表3 系纜裝置的關(guān)聯(lián)分析

通過(guò)對(duì)SALM系統(tǒng)5個(gè)子裝配體的關(guān)聯(lián)分析，建模順序可定為：鏈系→沉塊裝置→系纜裝置→浮筒裝置→錨鏈支座。這一建模次序考慮到錨鏈支座與浮筒裝置有關(guān)聯(lián)，為了方便系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)這兩個(gè)關(guān)聯(lián)裝置間的關(guān)聯(lián)處理，從而先對(duì)沉塊裝置、系纜裝置建模，再對(duì)建浮筒裝置建模。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在對(duì)SALM系統(tǒng)進(jìn)行了約束分析及關(guān)聯(lián)分析后，基于Solid Works平臺(tái)[4]，作者開(kāi)發(fā)了單點(diǎn)系泊參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。圖6為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主界面。

圖6 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主界面

對(duì)單錨腿系泊系統(tǒng)中的每一個(gè)組成部分均有相應(yīng)的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)界面。

4 結(jié) 論

單錨腿系泊系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究與三維建模的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了本課題研究的可行性，其對(duì)于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的參數(shù)化CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制具有實(shí)用性，同時(shí)可以為其他的系泊系統(tǒng)的參數(shù)化CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究提供了一種有效的途徑。

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