三維仿真錨系優(yōu)化設(shè)計研究

何春平

（海裝駐廣州地區(qū)第三軍事代表室，廣州 510627）

1 前言

錨設(shè)備是用于船舶停泊的重要設(shè)備之一[1]。長期以來，船廠在錨系設(shè)計上，基本依靠木模模型進行拉錨試驗，通過試驗結(jié)果對錨鏈筒、錨穴和錨唇的位置和形狀進行修正[2]。但是由于拉錨試驗沒有掣鏈器，使用麻繩代替錨鏈，木錨和實錨也存在密度、摩擦系數(shù)等差異，試驗結(jié)果與實船拉錨試驗存在較大差異，導(dǎo)致實船錨系結(jié)構(gòu)存在大量修改和返工的情況，而且只能邊修改邊驗證，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)點和建造成本。

表1 是近年來建造的幾型船舶，在錨系設(shè)計試驗出現(xiàn)的問題。

從表1 看出，在錨系設(shè)計和試驗方面存在很大的問題，70%的船型不能通過木模拉錨試驗提前預(yù)測實船拉錨將會出現(xiàn)的問題并有效解決，而且木模拉錨試驗由于訂購木錨、木錨鏈筒及制作樣臺，試驗周期不少于30 天。如果試驗發(fā)現(xiàn)問題，需要重新訂購錨唇、錨鏈筒等材料，試驗周期將超過兩個月，嚴(yán)重影響建造進度；實船拉錨試驗結(jié)果不理想時，只能根據(jù)經(jīng)驗反復(fù)調(diào)整錨鏈筒、錨穴和錨唇等位置和形狀，此過程耗費大量工時和材料，而且實船整體調(diào)整錨鏈筒位置等操作時，安全風(fēng)險很高。

表1 錨系試驗統(tǒng)計

基于上述原因，我們利用計算機軟件對錨系運動的過程進行模擬，并與木模拉錨試驗和實船拉錨效果進行對比，實現(xiàn)優(yōu)化錨系設(shè)計的目的。

2 木模拉錨試驗存在的問題

（1）尺度效應(yīng)[3]

考慮到樣臺的高度和拉錨試驗的成本，木模一般根據(jù)船型的大小，選取1:2 或1:4 的比例進行制作。由于尺度效應(yīng)，縮小比例木模不能完全分析出實船狀態(tài)；

（2）材料差異[4]

木模拉錨試驗材料為木材，實船錨系為鋼材，兩者的密度、摩擦系數(shù)等物理性質(zhì)差異巨大。以1:2 的比例制作的木錨模型進行拉錨試驗，木錨及木錨鏈體積約為實際錨和錨鏈的1/8，考慮木材密度約為600 kg/m3、鋼材密度為7 850 kg/m3，在無潤滑情況下，木材與木材摩擦系數(shù)為0.4～0.6、鋼材與鋼材摩擦系數(shù)為0.15，根據(jù)摩擦力等于壓力乘以摩擦系數(shù)，求得木錨（鏈）與木錨唇之間的摩擦力約為實際鋼錨與錨唇摩擦力的0.03，模擬效果不理想；

（3）附件缺省

錨系是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，除了錨、錨穴、錨臺、錨鏈筒等主體結(jié)構(gòu)，還有普通鏈環(huán)、加大鏈環(huán)、末端鏈環(huán)、肯特卸扣、轉(zhuǎn)環(huán)卸扣等零部件，各鏈環(huán)與鏈環(huán)、鏈環(huán)與卸扣之間有復(fù)雜的運動關(guān)系。但在木錨拉錨試驗中，以麻繩替代錨鏈，兩者形狀和構(gòu)造均差異巨大，麻繩不能模擬錨鏈的扭轉(zhuǎn)和錨鏈與錨鏈筒之間復(fù)雜的相對運動；另外，木模試驗時沒有掣鏈器，不能模擬錨鏈環(huán)在各種扭轉(zhuǎn)情況下與錨鏈滾輪的嚙合關(guān)系，不能發(fā)現(xiàn)可能存在的跳鏈現(xiàn)象；木模試驗還沒有閘刀，不能模擬錨鏈?zhǔn)站o后閘刀與鏈環(huán)的相對位置關(guān)系，導(dǎo)致實船有時閘刀不能閘下鎖止錨鏈；

（4）制作誤差

實錨通過模具整體澆注，而木模是手工切削而成，尺寸精度與實錨的模具相比差別較大，因此木模型線與實錨的誤差也會影響拉錨試驗的準(zhǔn)確性。

針對上述原因，我們認(rèn)為現(xiàn)有的木模拉錨試驗不能準(zhǔn)確模擬實船錨系的運動過程，必須通過信息化和數(shù)字技術(shù)，利用軟件模擬錨系運動全過程，為錨系設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。表2 是軟件模擬應(yīng)對現(xiàn)有木模拉錨問題的措施。

表2 木模拉錨缺點和三維仿真解決措施

3 計算機仿真拉錨系統(tǒng)

計算機仿真拉錨系統(tǒng)，主要面向船舶的錨泊系統(tǒng)設(shè)計與起拋錨試驗仿真[5]。可輔助設(shè)計人員不斷優(yōu)化設(shè)計和驗證設(shè)計效果，協(xié)助相關(guān)人員完成錨泊系統(tǒng)的虛擬樣機建模、起錨動態(tài)過程、拋錨動態(tài)過程，生成關(guān)鍵設(shè)計工程圖尺寸信息、錨系設(shè)計與起拋錨試驗數(shù)據(jù)庫管理等，并且可輔助設(shè)計人員快速設(shè)計更改和驗證。軟件模擬拉錨的流程圖，如圖1 所示。

圖1 仿真拉錨系統(tǒng)流程圖

在圖1 中可以看出：模擬系統(tǒng)主要由三大塊構(gòu)成，即三維建模模塊、運動仿真模塊和圖紙輸出模塊。

系統(tǒng)借助西門子公司的NX10.0 進行三維建模，并對NX10.0 進行二次開發(fā)[6]，通過UG/Modeling 的功能建立一個三維實體模型，并賦予各個零部件一定的運動學(xué)特性，再在各個部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系，即可建立運動仿真模型；運行運動仿真功能，可對運動機構(gòu)進行裝配分析、運動合理性分析，諸如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等，得到運動機構(gòu)的運動參數(shù)。

本文模擬系統(tǒng)，即通過二次開發(fā)，形成錨、錨鏈、卸扣、掣鏈器等標(biāo)準(zhǔn)部件庫，引用部件庫中零件裝配完錨系后，即可利用運動仿真程序模擬拉錨，輸出拉錨過程的動畫，以便設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)錨系設(shè)計存在的問題，并對修改的措施加以驗證；模擬結(jié)果達(dá)到設(shè)計預(yù)想的效果之后，輸出CAD 圖紙，用于錨系生產(chǎn)設(shè)計。

4 計算機仿真拉錨試驗

以某型中型救助船為例，對比計算機仿真拉錨和傳統(tǒng)木模拉錨，優(yōu)化錨系設(shè)計，并最終通過實船拉錨，驗證仿真拉錨的準(zhǔn)確性和可行性。

4.1 錨系建模

根據(jù)錨系設(shè)計圖，從標(biāo)準(zhǔn)部件庫中選擇相應(yīng)規(guī)格錨系附件，完成錨穴、錨鏈筒、錨、錨鏈、滾輪掣鏈器建模和錨系裝配定位；裝配定位后，創(chuàng)建連桿，添加運動副、旋轉(zhuǎn)副，添加動力，設(shè)置碰撞后即可進行運動仿真，輸出錨系運動過程的視頻，如圖2 所示。

圖2 錨系建模、裝配和運動仿真

4.2 計算機仿真和木模拉錨試驗對比

圖3 為錨鏈筒上口：左圖木模沒有掣鏈器，麻繩直接通過木板限位進入錨鏈筒；右圖計算機模擬可發(fā)現(xiàn)錨鏈轉(zhuǎn)環(huán)卸扣與掣鏈器滾輪發(fā)生干涉，導(dǎo)致錨鏈不能收緊，錨不能完全拉入錨穴，航行過程中錨將發(fā)生晃動并與錨穴碰撞，影響航行安全。模擬發(fā)現(xiàn)此問題后，采取提高掣鏈器安裝高度可解決此處設(shè)計缺陷。

圖3 仿真拉錨與木模對比圖（一）

圖4 為錨收入錨穴最終狀態(tài)：左圖圓圈中可見錨爪伸出錨穴頂板內(nèi)緣，右圖錨爪頂住錨穴頂板，表明錨穴深度不足。一般情況下，錨收緊后至少應(yīng)有四個點與錨穴貼合，分別是兩只錨爪上表面兩點和錨底座兩點。如果錨爪尖端直接頂住錨穴頂板，不但會造成錨爪和錨穴的損傷，還會導(dǎo)致錨底座無法與錨穴貼合，航行中錨將晃動。

圖4 仿真拉錨與木模對比圖（二）

圖5 為錨進入錨穴過程中，此時錨桿緊貼錨鏈筒船舯一側(cè)內(nèi)壁，摩擦較嚴(yán)重，拉錨試驗和計算機仿真拉錨均能發(fā)現(xiàn)此問題。優(yōu)秀的錨系設(shè)計中，通過調(diào)整錨鏈筒角度、錨鏈筒下口設(shè)喇叭口等措施，盡量減輕錨桿與錨鏈筒發(fā)生摩擦；或者通過加厚錨鏈筒下端板厚等措施，提升錨鏈筒耐磨性，否則錨和錨鏈筒的壽命都將大大縮短，設(shè)計中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)此問題。

圖5 仿真拉錨與木模對比圖（三）

表3 為木模拉錨試驗與計算機仿真拉錨效果對比表。

表3 木模拉錨試驗和計算機仿真拉錨效果對比表

從表3 可以看出：木模拉錨試驗由于沒有錨鏈和滾輪掣鏈器，不能模擬出錨鏈轉(zhuǎn)環(huán)與掣鏈器干涉，可能導(dǎo)致訂貨時掣鏈器高度不足，后期修改工作量大。

對于試驗發(fā)現(xiàn)的其他兩個問題，可采用優(yōu)化錨穴深度、錨鏈筒加喇叭口、錨穴加設(shè)圓鋼等措施。但木模修改需要重新訂購錨鏈筒，時間至少需要一個月；而計算機仿真拉錨，只需修改幾個參數(shù)值，完成重新模擬僅需2 天。圖6 為軟件調(diào)整錨鏈筒角度之后的結(jié)果，錨桿幾乎位于錨鏈筒中心，錨在錨穴中收藏情況理想。

圖6 錨穴優(yōu)化和最終效果

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的錨系，實船試驗取得良好的效果（見圖7）：錨收緊后，在錨穴中收藏得很好，錨桿離錨鏈筒有較大空間；錨收放時，錨鏈不與錨鏈筒摩擦，沒有跳鏈等現(xiàn)象；在碼頭試驗和試航中快速拋錨試驗時，一次性通過了顧客報驗，得到顧客的好評。

圖7 實船拉錨結(jié)果

5 結(jié)束語

利用計算機軟件對錨系運動的過程進行模擬，并將優(yōu)化結(jié)果落實到生產(chǎn)設(shè)計中，不但縮短了拉錨試驗的時間，也節(jié)約了實船階段錨系修改的人工和物量成本。

通過對計算機仿真拉錨系統(tǒng)的應(yīng)用，不但可以提高錨系設(shè)計質(zhì)量，提升造船效率，節(jié)約成本，還可以革新傳統(tǒng)造船模式，為船舶產(chǎn)業(yè)升級提供支撐。