趙學(xué)春，劉志強(qiáng)，董 帆

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225217；2.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

25000DWT化學(xué)品船計(jì)算機(jī)電子輔助拉錨實(shí)驗(yàn)

趙學(xué)春1，劉志強(qiáng)2，董 帆1

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225217；2.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

對(duì)25 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船錨系運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬拉錨仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了錨系三維模型的虛擬建模以及虛擬裝配，并且對(duì)船舶錨系泊錨系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，重點(diǎn)對(duì)錨唇與錨座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，最終確定船舶錨系的修改方案。實(shí)踐證明:這項(xiàng)虛擬模擬仿真比當(dāng)下根據(jù)制作木?；蛘邉偰４_定方案的方法更加精準(zhǔn)快捷。

化學(xué)品船；三維模型；虛擬；拉錨；仿真實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)；裝配

0 引言

船舶錨系的收放運(yùn)動(dòng)受眾多因素影響，比如拉錨時(shí)的航速、海水的流速和海面上的風(fēng)力等。假如船舶錨系各個(gè)組成部分(錨鏈艙、導(dǎo)鏈滾輪、錨唇等)的設(shè)計(jì)與裝配不當(dāng)，那么很有可能在船舶錨系泊錨系統(tǒng)工作過(guò)程中出現(xiàn)異常。

目前,大多數(shù)船廠采用傳統(tǒng)的制作1∶1鋼模或者木模拉錨實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)拉錨實(shí)驗(yàn)對(duì)錨系部件形狀和位置進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到理想的效果，其中最為重要的就是錨唇與錨臺(tái)的外形尺寸與相對(duì)位置關(guān)系。木模拉錨試驗(yàn)存在如下問(wèn)題：

(1)木模拉錨試驗(yàn)往往安排在詳細(xì)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)后期，一旦木模拉錨出現(xiàn)問(wèn)題，修改約束條件較大，影響其他專業(yè)設(shè)計(jì)。

(2)由于木模表面木質(zhì)摩擦系數(shù)與鋼摩擦系數(shù)存在差異并且密度存在差異，時(shí)常造成木模拉錨試驗(yàn)沒(méi)有問(wèn)題，但在后期建造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各種問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)在造船行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，近年來(lái)研制出不少優(yōu)秀的電子拉錨系統(tǒng)以替代木模拉錨試驗(yàn)的方法。電子拉錨系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)確定錨系設(shè)計(jì)，并建立虛擬三維模型、開展虛擬實(shí)驗(yàn)，從而擺脫鋼?；蚰灸＠^試驗(yàn)。其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)三維設(shè)計(jì)模型比二維圖紙更為直觀，便于確定其布置角度，找到貼合點(diǎn)和碰撞點(diǎn)。

(2)虛擬拉錨試驗(yàn)代替手工木模拉錨試驗(yàn)，可大大縮短工期，從而節(jié)省大量的人力物力。另外，在做模擬仿真時(shí)，部件與部件之間采用的是鋼的摩擦系數(shù)，比制作木模實(shí)驗(yàn)更加精準(zhǔn)，比制作剛模實(shí)驗(yàn)更加省時(shí)省力。

(3)可以模擬船舶的橫傾、縱傾拉錨情況，這種考慮計(jì)算了影響船舶航行的多種因素，使得這種虛擬拉錨試驗(yàn)更加實(shí)用、安全、可靠。

(4)可以在設(shè)計(jì)初期階段就開展錨系設(shè)計(jì)驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找到優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

(5)可以利用三維模型輔助快速獲得錨臺(tái)放樣圖、錨臺(tái)樣板圖、安裝定位點(diǎn)等生產(chǎn)設(shè)計(jì)信息，從而使計(jì)算機(jī)輔助放樣代替手工放樣，節(jié)約了大量時(shí)間和人力成本，提高了放樣精度。

本文以某25 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船的錨系為研究對(duì)象,應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬拉錨仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶錨系從三維設(shè)計(jì)建模到裝配最后運(yùn)動(dòng)仿真的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)這項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)錨系起拋錨運(yùn)動(dòng)以及最終錨爪與錨唇貼合狀態(tài)進(jìn)行了更加深入的分析測(cè)試和研究。

1 錨系虛擬拉錨試驗(yàn)方法

1.1虛擬錨泊系統(tǒng)環(huán)境建立

當(dāng)前的船廠、設(shè)計(jì)所大部分面臨著船舶錨系方案設(shè)計(jì)中選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率不高的問(wèn)題。錨鏈筒角度與錨唇形狀尺寸、相對(duì)位置設(shè)計(jì)等因素在錨系部件中是否合理，對(duì)于整個(gè)拉錨或者放錨運(yùn)動(dòng)具有非常大的影響。同時(shí)，錨唇與錨臺(tái)形狀尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的完善性與錨座相貼合的完美性有著很大的關(guān)系。為了錨座與錨唇完美的配合，根據(jù)仿真結(jié)果將錨唇外形做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整是必要的。

船舶錨系虛擬樣機(jī)收放錨的運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)一般流程如圖1所示。

采用這種虛擬試驗(yàn)技術(shù)，以某25 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船的錨系為例，利用CAE對(duì)其整個(gè)錨系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，而錨系設(shè)計(jì)的修改是根據(jù)所得的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果進(jìn)行的。該技術(shù)應(yīng)用模擬拉錨試驗(yàn)技術(shù)代替反復(fù)制作木模的方法，便于對(duì)最終的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化與確定。

本文利用圖2的船舶拉錨試驗(yàn)仿真平臺(tái)開展25 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船錨系的拉錨試驗(yàn)工作。

1.2三維幾何錨系布置模型的建立

眾所周知,一般的船舶建造都是單件或小批量定單方式生產(chǎn),所以每艘船具有其獨(dú)特的差異性。本船大抓力錨為外購(gòu)件，由錨專業(yè)制造企業(yè)生產(chǎn),與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有細(xì)化部分的尺寸存在差異，因此錨詳細(xì)零件圖一般根據(jù)零件圖繪制。

按本船的錨系布置圖、錨唇結(jié)構(gòu)圖、錨鏈筒結(jié)構(gòu)圖、錨臺(tái)結(jié)構(gòu)圖等二維初始設(shè)計(jì)工程圖進(jìn)行錨系三維建模。平面結(jié)構(gòu)布置圖和三維虛擬裝配圖如圖3所示。

在拉錨虛擬實(shí)驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)不當(dāng)或者裝配尺寸不合理等問(wèn)題,可以按要求直接調(diào)整相應(yīng)設(shè)計(jì)模型,進(jìn)而重新進(jìn)行拉錨仿真試驗(yàn)，循環(huán)驗(yàn)證優(yōu)化直到滿足要求，之后得到滿足要求的設(shè)計(jì)工程圖并投入建造。該方法可大量節(jié)省錨系實(shí)驗(yàn)成本，提前在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，避免后期的損失。

1.3拉錨運(yùn)動(dòng)仿真檢測(cè)要點(diǎn)

(1)起錨是否碰球鼻艏檢測(cè)：在此起拋錨運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中，錨鏈與錨座會(huì)因?yàn)橐恍┩饬Πl(fā)生輕微擺動(dòng)，沿著錨唇邊緣垂直上升。若拉錨過(guò)程中出現(xiàn)干涉碰撞，虛擬實(shí)驗(yàn)程序?qū)?huì)報(bào)錯(cuò)停止實(shí)驗(yàn)，此時(shí)則需要稍微修改錨臺(tái)伸出尺寸。同時(shí)，可以檢測(cè)橫傾、縱傾情況。

(2)錨與錨唇最終貼合仿真檢測(cè)：目的是檢查錨唇與錨座、錨爪的接觸狀態(tài)，包括錨唇與錨座接觸數(shù)量、錨桿在錨鏈筒的位置等。

(3)錨翻轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測(cè)：目的是檢查錨桿進(jìn)入錨鏈筒后，能否正常翻轉(zhuǎn)貼合，特別是錨尖指向外板狀態(tài)時(shí)，是否能翻正貼合。

2 實(shí)船錨系錨唇貼合仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

25 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船選用抓重比大的改進(jìn)型平衡式大抓力錨，起錨過(guò)程中尤其要注意錨尖指向外板時(shí)翻正貼合情況。圖4和圖5分別為進(jìn)行虛擬拉錨運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)后最終得到的錨座與錨唇貼合的側(cè)視圖與正面圖。本次實(shí)驗(yàn)錨座和錨唇運(yùn)動(dòng)配合狀態(tài)良好,各項(xiàng)系數(shù)都在正常水平。

如果仿真時(shí)出現(xiàn)卡錨現(xiàn)象或者配合不精準(zhǔn)，之后可根據(jù)錨與球鼻艏起始狀態(tài)、錨與錨唇最終貼合狀態(tài)以及錨的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的修改和完善，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。這樣僅僅通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就大大節(jié)省了上述修改木模或者重做鋼模所需耗費(fèi)的大量工時(shí)。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的1∶1虛擬拉錨實(shí)驗(yàn)可以直觀逼真地展示錨系從起始狀態(tài)到最終錨爪與錨座配合狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程。與此同時(shí)，如果在配合狀態(tài)完成之前出現(xiàn)錨爪翻轉(zhuǎn)情況，工作人員可以清楚地看到并記錄下來(lái)。在仿真完成之后還利用該三維設(shè)計(jì)技術(shù)獲得了二維工程圖和安裝點(diǎn)坐標(biāo)等信息。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在整個(gè)船舶錨系的設(shè)計(jì)中，錨鏈筒與錨唇相對(duì)角度以及外形尺寸最為重要，直接影響錨系整體的建造誤差，從而導(dǎo)致一些不良事件發(fā)生。針對(duì)25 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船錨系設(shè)計(jì)采用專用錨系設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行了起錨狀態(tài)檢測(cè)、翻轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測(cè)、貼合狀態(tài)檢測(cè),并輸出了錨臺(tái)二維展開圖、樣板圖和安裝點(diǎn)坐標(biāo)等。利用三維設(shè)計(jì)代替二維設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)電子拉錨代替木模拉錨，計(jì)算機(jī)輔助放樣代替手工放樣，既提高了船舶錨系設(shè)計(jì)的精度，又大大縮減了錨系的生產(chǎn)周期。

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)踐可以證明，計(jì)算機(jī)虛擬拉錨仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)錨系三維模型的虛擬設(shè)計(jì)和虛擬裝配技術(shù)可以代替制作木模或鋼模進(jìn)行模擬拉錨實(shí)驗(yàn)，從而更加準(zhǔn)確地確定船舶錨系設(shè)計(jì)方案并及時(shí)改進(jìn)完善，達(dá)到明顯降低生產(chǎn)成本，大大縮減制造周期等目的。計(jì)算機(jī)虛擬拉錨仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)確實(shí)是值得在船舶行業(yè)推廣使用的技術(shù)。

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U664.4

A

2016-04-12

趙學(xué)春(1980—)，男，工程師，主要從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。