極地破冰船錨系交互設計技術的拉錨動力學仿真

趙振華 ， 陶冬明 ， 林桂霖 ， 劉志強

(1.江南造船(集團)有限責任公司， 上海201913； 2.江蘇科技大學， 江蘇 鎮江212003)

0 引 言

錨系作為船舶系泊和安全航行的關鍵裝置，一直是船舶設計方、建造方、船舶所有人及船級社比較重視的項目。新一代極地破冰船兼具了綠色環保與高結構強度要求，具備艏艉雙向沖撞破冰和動力定位能力。錨系設備是船舶控制不可或缺的甲板機械裝置，其設計的優劣直接影響船舶的安全。

新一代極地破冰船無限航區的性能要求導致其錨泊和定位系統的設計標準相應提高。由于錨裝置的設計是空間幾何曲面和多動態力(接觸碰撞力、錨絞機拉力、重力)約束下的非線性多體動力學問題，目前缺少精確的解析設計方法[1-2]。傳統設計方法是通過基本型類推進行二維設計，然后采用木模或鋼模進行拉錨試驗。采用的錨穴設計在傳統建造過程中出現錨座碰撞船體外板、起錨收入時錨碰撞錨穴壁板、起錨收入過程不通暢等情況。為了改進邊錨裝置的設計，需要進行反復修改和試驗驗證才能確定最終設計方案，帶來的問題是設計周期長、試驗成本高[3-4]。傳統二維設計加實物模型試驗方式的固有特點造成設計初期難以發現問題，且不能滿足新形勢下的快速設計修改、快速驗證的新需求。若采用低成本的縮小比例木模，則不能完全分析出實船狀態。木模的密度、質量、摩擦系數與實際偏差太大，木模試驗精度也不能準確而完全地反映出錨的微小結構情況，致使錨系相關結構特征不能很好地發揮性能。若采用1∶1鋼模進行試驗，雖然能滿足實際的模擬要求，但是成本高、建造周期長，仍然不能達到設計過程中需要的快速修改要求。

隨著數字化造船的快速發展，計算機輔助設計(Computer Aided Design, CAD)技術及計算機輔助工程分析技術具有廣泛應用：可在三維交互設計環境下完成船舶錨系各組件的三維實體建模，并組裝孿生數字虛擬樣機；在此基礎上完成對船舶錨系各組件的運動動態與接觸狀態的仿真評估；依據評估結果優化設計方案，在設計的早期階段驗證錨系性能，從而實現降本增效，并顯著提高錨系設計質量。采用三維交互設計和拉錨動力學分析，從開始三維建模到整個拉錨仿真試驗完成，只需約1～2周，而木模試驗或鋼模試驗需要1個月以上。在修改后再試驗方面則更為突出：當遇到問題需要修改錨唇截面尺寸、重新進行拉錨試驗時，計算機模擬3 h左右能完成修改設計的快速驗證，而木模或鋼模約需1周。

1 錨系三維交互設計及拉錨試驗仿真技術

錨系三維交互設計和起拋錨仿真流程如圖1所示。首先，根據船廠提供的圖紙——船首線型圖、錨設備圖、錨臺(錨唇)或錨穴結構圖及錨系布置圖，使用交互式參數化自動建模，完成船首、錨鏈筒、錨穴(錨臺-錨唇)、錨、錨鏈、導鏈滾輪(掣鏈器)的三維實體建模。在此流程中，錨構件結構較為復雜，所以一般通過數據庫調用對應廠家不同規格的錨。在此基礎上，通過船舶錨系裝配定位工具完成交互式裝配。最后，通過虛擬起拋錨仿真，在運動仿真參數、精度和仿真時間匹配設置的基礎上開展求解計算，并輸出錨系組件運動姿態、軌跡與貼合狀態。錨系動力學分析的整個流程：從初始的幾何模型到動力學模型的建立，經過對模型的數值求解，最后得到分析結果。錨系設計分析主要包括建模和求解兩個階段。

圖1 錨系三維交互設計和起拋錨仿真流程

1.1 錨系初始布局及三維幾何建模

針對錨系裝置設計面臨的約束，開始初始設計，包括定位錨鏈筒角度、錨鏈筒開口位置、錨唇-錨臺或錨穴結構設計。錨系三維設計與模型建立是交互設計與性能仿真優化的基礎，既需要具備導入船體、錨系布置、錨鏈筒、錨穴或者錨臺-錨唇二維設計圖紙生成三維模型的能力，也可輸入參數尺寸完成交互式設計與三維建模，并實現錨鏈筒、錨臺-錨唇或錨穴尺寸位置驗證功能。

通過二次開發的錨系輔助設計專家系統開展交互錨系布局設計。錨系的主要設計是指建立非標件的設計模型，并作為仿真模型的輸入。錨系數字化建模中的幾何模型與錨系結構設計相對應，是后續一系列過程進行的基礎。

此外，在錨系標準件建模方面，錨系三維交互設計具備錨、錨鏈、導鏈滾輪(掣鏈器)等標準件自動建模能力，通過輸入相應規格參數，可直接生成相應的標準件。錨鏈及錨標準件調用起拋錨動力學分析系統自建的重用庫及標準件庫。

1.2 錨系裝配定位及孿生虛擬樣機模型構建

在錨系各組件完成三維交互設計與三維建模之后，可以構建數字孿生虛擬樣機。通過對錨系各組件的位置進行自動裝配定位，定義起拋錨初始狀態。利用CATIA三維輔助設計系統的特征定位功能、裝配定位功能，定位標準件與其他零件的位置關系，開展錨系裝置裝配，并建立三維虛擬樣機。錨系動力學仿真系統已經在后臺數據庫中建立相對應的參數傳遞，建立了尺寸鏈接關系。錨系三維交互設計具備對錨系起拋錨進行全程運動分析的功能，可輔助設計人員不斷優化設計和驗證設計效果。

1.3 錨系動力建模及起拋錨運動分析

在數字孿生虛擬樣機建模基礎上，可以完成后續的起拋錨性能仿真評估，通過多體動力學仿真分析可以：輸出錨系組件的運動狀態、各組件的運動軌跡、各組件配合與接觸碰撞形態；輸出動態起拋錨過程下錨位置與船體球鼻艏的距離；輸出錨的翻轉、接觸碰撞、耦合與貼合狀態；自定義關鍵接觸部位位置、接觸漸進過程的細節剖視和透視狀態。此外，在靜態錨收藏狀態下可以給出與錨穴各板的距離、校核錨與錨臺-錨唇或錨穴的接觸點。

拉錨仿真內容和流程如圖2所示，包括錨系動力學仿真計算、設計方案驗證評估與優化模塊。動力學仿真計算包括錨系運動組件設置、組件鏈接設置及仿真系統驅動的添加，然后設定接觸連桿間的摩擦系數，最后設定解算方案屬性中的重力與解算誤差參數。仿真分析方案分別對錨系進行動力學仿真分析，包括球鼻艏防碰撞距離安全檢測，錨-錨鏈接近錨唇或錨穴過程中的翻轉過程檢測、錨爪貼合過程檢測等3個方面。

圖2 拉錨仿真內容和流程

數字孿生虛擬樣機性能仿真可以模擬出是否存在卡錨狀態、錨是否碰撞球鼻艏或船體外板，并可動態實時反饋錨與錨唇或錨穴、錨桿與錨鏈筒、錨鏈與導鏈滾輪(掣鏈器)等位置的接觸情況。對于異常情況，可以交互修改錨鏈筒設計角度、錨臺面設計角度及錨唇型線參數，并可在交互設計與建模模塊實現快速更改模型，更新數字孿生虛擬樣機，重新仿真模擬起拋錨過程，不斷改進優化錨系設計參數，迭代優化直到滿足設計要求。通過數字孿生虛擬樣機性能仿真及多體動力學分析計算，研究拉錨過程中錨的翻轉情況及碰撞分析。根據計算機模擬拉錨結果，對錨臺以及錨唇做出相應調整和優化設計，保證錨鏈收起過程的順暢以及錨收起后與錨唇的貼合狀態滿足相關規范和標準。

通過錨泊動力學仿真，可對比分析不同起錨或拋錨工況下多種錨系運動狀態，分析不同設計方案：可得到拉錨過程中的貼合和接觸情況的對比評估，錨與船體碰撞接觸點量化對比，拉錨試驗中內部剖開細節展示，拉錨試驗中貼合點、間隙等細節量化；可分析橫傾、縱傾情況下船舶晃動狀態及錨系運動狀態。對錨系拉錨過程狀態進行動力學仿真，模擬拉錨過程中錨爪翻轉狀態，如圖3所示；驗證錨臺-錨唇的結構設計是否符合相應錨型特點，如圖4所示：邊錨起錨安全距離為距船體最近點約1 987 mm，距離較安全，在船體縱傾5°、橫傾3°以內，不會發生碰撞球鼻艏的情況。

圖3 拉錨過程中錨翻轉和收藏的動態過程

圖4 起錨時距船體的安全距離檢測

2 錨系快速交互設計更改和生產工程圖輸出

若設計存在問題，計算機可模擬檢查出錨被卡住、碰撞外板、錨與錨穴或錨桿與錨鏈筒接觸等異常狀態。如圖5和圖6所示，第1.3節三維拉錨運動模擬仿真分析結果可呈現出貼合問題，若錨-錨穴等不貼合，可量出偏差，若刮擦碰撞可測量接觸位置，為下一步修改提供依據。若在原設計方案基礎上出現翻錨、錨貼合不佳、錨桿進入錨鏈筒時碰撞內壁等情況，需對原有設計進行修改。針對遇到的異常翻錨與貼合狀態，可在AutoCAD中修改原錨系設計圖，并在建模模塊中對錨鏈筒中心線角度和錨唇外形尺寸設計進行對應修改，依次進行重復對比仿真，直到設計滿足要求，并針對滿足要求的結果生成相關模型工程圖。若設計不滿足設計規范則修改初始設計，重新開展仿真分析。利用測量誤差，結合原三維模型，在CAD軟件中進行響應模型修改，再重新進行模擬仿真，利用計算機輔助設計功能的便捷代替木模試驗的繁瑣，從而節省工作成本。如圖7所示，導出工程圖，包括錨系布置圖、錨穴設計圖、錨鏈筒展開圖、錨臺樣板圖、錨唇剖面圖和錨臺展開圖等。

圖5 錨桿與錨鏈筒接觸情況

圖6 錨尖與錨穴板間隙

圖7 錨系工程圖輸出

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3 結 論

錨系數字化交互設計依據原錨系設計圖紙進行1∶1實際比例三維建模，通過設計坐標進行零部件精準裝配，設定切合實際的運動參數，進行數字化模擬試驗仿真。通過仿真動畫結果，可直觀評估拉錨過程中錨的翻轉狀態及最終貼合狀態，并可進行誤差測量分析，快速得到交互響應，針對結果中的問題在模型中做出對應修改，進行重復試驗。此方法利用計算機數字化仿真代替木模試驗法，達到快速響應、節省設計成本的目的，有效提高設計工作的效率。結果表明，基于拉錨虛擬仿真的錨系交互設計技術，可以代替傳統的二維設計與木模試驗的設計方法，在設計的早期階段就可實現評估整個運動過程接近實際船舶錨系拉錨運動工況，為錨系設計方案優化提供可靠手段。