8000HP海洋救助拖船錨穴設計與三維模擬

吳鎮波 陽俊 李艷欽

摘 ? ?要：本文介紹了8000HP海洋救助拖船的錨穴設計，運用Rhino三維軟件仿真模擬，分析拉錨過程的不利因素與控制要點，為實船拉錨試驗提供一種前期預判的方法。

關鍵詞：錨穴;錨爪;大抓力錨

中圖分類號：U671.91?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Anchoring operation is one of the components of ship safety， and the key influencing factor is the design of anchor recess. This paper introduces the design of anchor recess of 8 000 HP tug， analyzes the disadvantages and control points of anchor pulling process by simulation with the Rhino 3D software during anchor pulling trial， so as to provide a method of early prediction for actual ship anchor pulling test.

Key words： Anchor recess; Anchor fluke; High holding power anchor

1 ? ?錨的選配

某8 000 HP海洋救助拖船，航行于我國近海航區，具備救助拖帶、應急搶修、消防滅火、淡水供應等多項功能。該船總長65 m、型寬15 m、型深7.0 m、設計吃水5.5 m。根據《國內航行海船建造規范》對該船舾裝數進行計算，舾裝數取值范圍為720～780，應配無桿首錨2只、每只質量2 280 kg。

AC-14大抓力平衡錨是民用貨船和工程船常規選用的大抓力錨型式之一，它具有性能優良、抓力大、能適應各種泥沙底質、穩定性好等特點。其錨折角為35°，錨頭和錨柄為鑄鋼件，錨卸扣為鑄鋼件或鍛鋼件，小軸、橫銷和封頭為鍛鋼件。根據《國內航行海船建造規范》的要求，選用大抓力錨時每只錨的質量可為普通無桿錨質量的75%，故本船選取2只1710kg的AC-14大抓力平衡錨作為首錨。

2 ? ?錨穴的設計

一般情況下，在繪制船舶總布置圖時會依據首部艙室和甲板的具體情況對錨泊設備的布置形式與位置進行初步確定。此時，起錨機的形式和錨的收放方式也已初步確定。在進行具體的錨穴設計時，需根據總布置圖、型線圖、起錨機、掣鏈器等圖紙對錨泊設備進行重新設計。其中，錨鏈筒、 錨穴是錨泊設備的重要組成部分，錨鏈筒與錨穴位置的確定是錨泊設備布置的關鍵，需要經過不斷調整直至接近最佳位置。

2.1 ?錨鏈筒設計的原則

理想的錨泊設備布置，是錨機鏈輪與錨鏈筒的中心線在水平面的投影保持在同一直線上，且錨鏈筒在水平面的投影線垂直于錨鏈筒出口處的水線。這樣可大大簡化錨鏈筒的設計，有利于錨的收放，同時使錨的拋落點最大遠離船體外板。在大型船舶或首部甲板寬度較大的船舶上比較容易做到這點，但在小型船舶和瘦小型的甲板上則較為困難。

為了滿足上述要求，錨鏈筒相對于水平面和舯縱剖面的角度選取非常重要。假設相對于水平面的角度為α、相對于舯縱剖面的角度為β，通常根據經驗選取α和β值在下列范圍內較為適宜：

（1）α值：一般在45?～55?范圍內。α值大，收拋錨方便，且錨鏈筒較長便于容納錨桿;但往往會造成舷側錨鏈筒開口過低、拋錨時容易碰觸船體外板，所以對于某些船首甲板寬度較窄或采用暗式錨穴的船舶，其α值可以適當加大;

（2）β值：一般在5?～15?范圍內。有球鼻首的船型可取20?～25?，但一般不大于45?;對于船首甲板寬度較窄的小型船舶，β值可以適當加大。

2.2 錨鏈筒設計的基本要求

（1）當船舶橫傾5?時，拉錨不會碰及首柱和船底外板，同時避免因接觸船體外板而產生卡錨現象;

（2）錨在拖進錨鏈筒后，錨爪能貼緊錨穴頂板、錨冠貼緊錨唇，且不產生晃動;

（3）錨能依靠自身的質量，毫無阻礙地從錨穴中拋出;

（4）錨鏈筒具有足夠的長度容納全部錨柄;

（5）錨唇在錨鏈通過部分有足夠大的圓弧，使錨鏈受到的彎曲應力最小;

（6）被拖進錨鏈筒中的錨，在航行時不會沒入水中或掀起浪花，以免增加船舶阻力。

2.3 ? 錨鏈筒、錨穴的初步布置

根據總布置圖、型線圖、起錨機、掣鏈器等資料進行放樣布置。因首樓甲板較為緊湊和受線型、錨鏈艙的影響，為了使錨機鏈輪與錨鏈筒保持一條直線，則錨鏈管將無法布置在錨鏈艙中心，從而將錨鏈管中心定在FR90～FR165、距中1 268 mm;掣鏈器定在FR91～FR92;錨鏈筒中心線相對于水平面的夾角α取80?、相對于舯縱剖面的夾角β取30?、錨鏈筒與錨穴頂板的夾角為45?。如圖1和圖2所示。

錨的收拉過程（見圖2）：錨處于船底位置I時，錨向船體外板橫傾5?后，仍然距離船體外板約590mm的距離;隨著錨的提升，當錨到達位置Ⅱ時，錨柄被拉入錨穴，錨爪在自重作用下保持垂直向上，錨將被整個拉入錨穴中;然后，當錨爪接觸到錨穴頂板時（即位置Ⅲ），錨爪與錨穴頂板接觸點A的法線N和錨爪對稱面的夾角ξ為35?。參照《船舶設計實用手冊-舾裝分冊》中關于霍爾錨的摩擦角ρ=15?，ξ比摩擦角ρ大了20?，初步預判錨爪接觸錨穴頂板后向上滑動，錨爪最終貼緊錨穴頂板，完成整個收錨過程。

3 ? ?錨穴的三維放樣

在傳統的錨鏈筒和錨穴設計過程中，設計者往往是根據自身的經驗初步設計出錨鏈筒和錨穴的位置、形狀和尺寸，通過制作一定比例的木模進行拉錨實驗，經過多次實驗和方案調整，最終得到滿足要求的設計方案。在此過程中，每次方案的修改都需要重新制作木模，造成人力、物力和時間的浪費。而通過三維軟件進行模擬設計，設計者可通過三維模型觀察錨鏈筒、錨穴與船體結構貼合程度，通過三維放樣直接導出錨穴任意視圖的輪廓尺寸，減少二次修改的次數與工作量，節省后期設計的時間與建造成本。

Rhino是美國Robert McNeel & Assoc公司推出的一款基于NURBS曲線的三維造型軟件。該軟件操作便捷，而且其NURBS曲面適合船體外殼的建模，因此可通過該軟件來進行錨穴的模擬和放樣設計。

（1）首先，創建首部船體結構（包含船體外板及相關內部艙壁）、AC-14大抓力平衡錨、錨鏈筒和錨穴等三維模型。其中，船體結構模型、AC-14大抓力平衡錨為已知的定尺寸模型，可直接按尺寸建立三維模型;而錨鏈筒、錨穴的布置位置與設計尺寸則由設計者進行優化確定。本船錨鏈筒的直徑取426 mm，錨穴寬度與進深的尺寸均比錨的外型尺寸大200 mm以上。在建立模型的過程中，注意觀察錨穴外圍板與船體結構的匹配度，以及外觀造型是否美觀、內部構件空間是否滿足施工要求等。

（2）其次，通過三維模型分析拉錨過程的幾個狀態：

① 錨在位置I（圖3）時，將錨模型向船體傾斜5?，在錨冠處制作一個半徑500 mm的圓球模型。通過觀察，圓球模型的外輪廓幾乎與船體外板貼合，從而預判錨在橫傾5?后錨冠與船體外板的距離約500 mm;

② 錨在上升過程中到達位置Ⅱ（圖4）時，在轉環的作用下錨將沿著錨柄做360?的無規則旋轉。通過模型觀察錨與船體外板接觸的過程如下：

·錨柄寬端與錨穴下端板接觸，錨爪在自重的作用下保持垂直向上（圖4）;

·錨柄窄端與錨穴下端板接觸，此時錨爪將點接觸船體外板，此狀態為非穩定狀態，錨爪瞬即發生旋轉切變到上面狀態（圖5），從而預判錨接觸錨穴下端板時不發生卡錨現象;

③ 錨越過位置Ⅱ，當錨冠觸碰錨穴下緣后，將使錨爪產生向錨穴內側翻轉的力矩，從而轉入到錨穴內部，然后錨爪觸碰錨穴頂板（圖6）;

④ 錨柄最后完全被拉入錨鏈筒中，錨爪緊貼錨穴頂板，到達位置Ⅲ（圖7、圖8），完成整個收錨過程。

4 ? ?拉錨驗證

通過拉錨驗證，錨的收放過程順暢，不發生卡錨現象。錨在收拉過程中，在錨鏈拉力和自重的作用下，將產生向船后傾斜小段距離，因錨穴留有一定的裕度空間，所以并未產生卡錨現象。

5 ? ?結論

本文通過8 000 HP海洋救助拖船錨穴的設計過程，利用Rhino軟件進行三維立體模擬，能夠給予設計人員直觀正確的判斷，提高設計人員的工作效率，降低圖紙設計的失誤率;同時，降低錨穴制作的現場施工量與建造成本。

船舶收拉錨是一個動態、復雜的過程，對船舶的錨泊作業起到關鍵性作用，而拉錨的成功與否取決于錨穴的設計。錨穴設計是一個不斷調整、優化的過程，如要求錨穴設計能一步就位是極其困難的，因為影響錨穴設計的因素很多，其中夾角α和β的選擇是關鍵。通過Rhino軟件的仿真模擬，可以提前預判拉錨過程可能出現的不良情況，盡量避免發生卡錨的現象。

參考文獻

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