孫淑俠 劉志強 王 念 彭 堯

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院湖北武漢 430050；2.江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.武昌船舶重工集團有限公司，湖北武漢 430060）

錨泊系統(tǒng)是船舶停泊作業(yè)安全可靠的保障[1]，艏部錨系建造過程包括各部件滿足多動態(tài)約束下非線性運動的布置設計、現(xiàn)場安裝多維度曲面定位及船臺施焊空間閉塞狹窄三大難點[2][3]，涉及多個相互制約和關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵要素，且錨系所處空間位置復雜、工作狀態(tài)多變，在船舶建造過程中有著相當重要的地位。常規(guī)建造方法是設計人員根據(jù)設計手冊及個人經(jīng)驗進行方案設計，并用比例木模放樣拉錨試驗進行反復驗證和修改來減小實船安裝的風險，最終獲得錨系設計布置圖和各結(jié)構(gòu)件加工安裝圖，指導船臺錨系結(jié)構(gòu)和設備安裝，進行實船船臺和水下拉錨試驗來驗證錨系安裝結(jié)果，根據(jù)結(jié)果進行現(xiàn)場調(diào)整修改最終獲得合理的錨系收放和收藏效果。

這種常規(guī)方法經(jīng)常出現(xiàn)的問題有以下幾個：

（1）錨系初始方案設計的精準性一定程度上依賴設計人員的個人經(jīng)驗，經(jīng)驗不同可靠性不同。

（2）木模材質(zhì)、比例縮放的失真性較大，無法完全體現(xiàn)錨收放過程中的翻轉(zhuǎn)、運動、卡阻和刮擦現(xiàn)象，只能獲得相對較好的收放和收藏貼合效果。

（3）木模制作及拉錨試驗周期長、精度差，使得提前錨系船臺安裝工序到分段進行一直不能有效實施，且木模制作人工和物料整體成本較高。

（4）船臺安裝存在施工空間狹小密閉、仰位施焊以及大飄度外舷側(cè)三維定位等難點。

（5）實船船臺和水下反復拉錨驗證，導致船臺和水下建造周期長。

為解決上述問題，以1500噸科考測量船為例，借鑒近年越來越多領域應用智能仿真技術(shù)優(yōu)化設計并通過智能仿真對設計方案進行評估的做法，利用計算機智能仿真技術(shù)進行錨系設計布置及拉錨試驗，驗證錨系多維度空間合理性可視化布置，還原實船安裝和操作環(huán)境，提高布置精準性，減少設計和試驗時間，同步分段建造，實現(xiàn)錨系工序前移到分段安裝，達到優(yōu)化船舶建造工藝的目的。

1 錨系設計生產(chǎn)流程

船艏錨系一般由錨、錨鏈、錨鏈筒、錨唇（或錨穴）、導鏈滾輪、掣鏈器、錨機、錨鏈管、錨鏈艙和棄錨器等主要設備組成[4]。錨系設計及生產(chǎn)具體可分為初始參數(shù)選算、部件規(guī)格設計、錨系布置設計、放樣拉錨驗證和錨系實船安裝五個步驟，（詳見圖1）錨系設計生產(chǎn)流程圖，這是采用各種方法進行錨系設計的基礎。

圖1 錨系設計安裝流程圖

2 錨系智能仿真技術(shù)的應用

當前，計算機仿真技術(shù)在船舶行業(yè)得到了廣泛應用，船舶錨系設計逐漸從計算機輔助設計（CAD）過渡到計算機輔助工程分析（CAE）[5-6]。所選錨系智能仿真技術(shù)是一款基于unity平臺進行二次開發(fā)的國產(chǎn)化船舶錨系設計專用軟件，在三維環(huán)境中建立船體錨系模型樣機，轉(zhuǎn)入CAE運動仿真分析模塊，能夠通過智能計算、分析和仿真進行船舶錨系的初始參數(shù)選算、部件規(guī)格選算、錨系布置設計和放樣拉錨驗證，最終導出錨系二維CAD 圖紙供實船生產(chǎn)安裝使用。以下是針對1500 噸科考測量船錨系設計應用智能仿真技術(shù)的總結(jié)和分析。

2.1 初始參數(shù)選算

智能仿真系統(tǒng)中內(nèi)置了舾裝數(shù)算法及初始參數(shù)選取規(guī)則，輸入船舶定級、主尺度及錨系設計相關(guān)參數(shù)，即可得出舾裝數(shù)，并推薦初始參數(shù)，設計人員只需根據(jù)一些特殊情況進行調(diào)整即可。1500噸科考測量船入級CCS，是一艘具有近海和深遠海航行與多功能作業(yè)能力的無限航區(qū)綜合性海洋科考測量船，經(jīng)常海上拋錨泊船作業(yè)，錨泊系統(tǒng)收放作業(yè)較為頻繁，因此對錨系布置設計及安裝效果要求更高。該船用于錨系參數(shù)設計的主尺度及相關(guān)計算參數(shù)（如下表1）。

表1 主尺度及相關(guān)計算參數(shù)

根據(jù)CCS 相關(guān)規(guī)范的舾裝數(shù)算法（N=Δ2∕3+2Bh+A∕10），輸入上述參數(shù)，得出舾裝數(shù)為N=522，對應規(guī)范給出的500＜N＜550 一欄[7]，但考慮到船東提出的本船未來會加裝科考設備的計劃，錨泊設備放大兩檔選取，故設計人員人為將舾裝數(shù)調(diào)整到對應600＜N＜660一欄，根據(jù)規(guī)范錨泊設備選型表系統(tǒng)自動選取錨系初始參數(shù)，結(jié)合船東拋錨習慣和船舶無限航區(qū)，確定最終初始參數(shù)，如下表2。

表2 錨系初始參數(shù)

2.2 錨系部件設計

根據(jù)初始參數(shù)，智能仿真系統(tǒng)的錨泊設備計算程序可算取錨系各主要部件關(guān)鍵規(guī)格尺寸數(shù)值或推薦范圍，如錨鏈艙的容積，錨鏈管的直徑、壁厚，錨機鏈輪直徑、工作負荷，錨鏈筒的直徑、壁厚、長度等；可選取相應標準件規(guī)格，如導鏈滾輪、掣鏈器、棄錨器、錨鏈艙眼環(huán)等。根據(jù)參數(shù)范圍，設計人員依據(jù)船舶結(jié)構(gòu)情況和備用材料規(guī)格做具體選擇，試驗船錨系主要部件規(guī)格尺寸數(shù)值（如下表3）。導鏈滾輪、掣鏈器、棄錨器、錨鏈艙眼環(huán)等標準輔助部件與錨鏈直徑相關(guān)，規(guī)格系統(tǒng)自動選取。

表3 錨系主要部件規(guī)格尺寸數(shù)值

2.3 錨系部件布置

錨系布置需要考慮的因素較多，人工手動進行錨系布置經(jīng)常要耗費較大精力和時間，常常顧此失彼，不能兼顧，智能仿真系統(tǒng)用強大數(shù)據(jù)庫做支撐，可以輕松實現(xiàn)同時滿足制約和關(guān)聯(lián)條件。導入已經(jīng)建好并經(jīng)過光順的船體分段模型，再加載錨系部件模型即可。試驗船艏部尖狹，位置緊湊，故選用兩臺單側(cè)式錨機和滾輪閘刀掣鏈器，系統(tǒng)根據(jù)錨機類型和錨系多個相互制約和關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵要素進行智能布置，獲取錨機鏈輪中心和錨鏈筒上下中心位置[7]。利用標準件模型庫加載并定位錨機、滾輪閘刀掣鏈器等標準件模型，再進行錨鏈筒結(jié)構(gòu)、錨唇結(jié)構(gòu)及錨鏈管結(jié)構(gòu)的非標件建模。

對于錨鏈管、錨鏈筒、錨唇、錨穴及錨臺等結(jié)構(gòu)非標件的建模和加載定位，設計人員可通過專門的建模設計模塊快速準確完成。錨唇是其中相對復雜的部件，系統(tǒng)將錨唇線型進行多個橫截面串聯(lián)，橫截面參數(shù)的不同構(gòu)成了錨唇線型的變化，如下圖2，錨唇內(nèi)孔為錨鏈筒在外板上的開孔，由錨鏈筒模型建立后自動生成。模型加載定位后，可通過多維度旋轉(zhuǎn)、縮放等檢查并調(diào)整各部件的干涉、錨唇與外板貼合以及內(nèi)圓與錨鏈筒光順過渡等情況。

圖2 錨唇型線及虛擬樣機模型

最后，導入錨鏈和錨的模型，利用錨系自動裝配定位功能，點擊已定位部件的關(guān)鍵點，確定錨鏈走向，并確保錨桿中心線方向和錨爪與錨桿的40°夾角；然后微調(diào)錨唇參數(shù)，獲得滿足錨爪與錨桿的夾角卡位以及錨爪與錨唇頂部貼合良好的錨唇形狀，至此，仿真拉錨模型全部布置到位。

2.4 拉錨仿真試驗

實際上，仿真拉錨和布置是交替進行來獲取最終精準良好的錨系布置的，這一點與木模放樣拉錨試驗是類似的，只是比木模放樣要快速的多，不需要放樣人員和物料，設計人員自行完成即可。錨系布置裝配完成后，設置錨系驅(qū)動鏈及轉(zhuǎn)動關(guān)系，進行拉錨仿真模擬試驗。基于三維模型和虛擬樣機，智能仿真模擬拉錨可以清楚地看到拉錨過程中錨系的運動、外板和球鼻艏間距、錨收放時進入錨鏈筒的翻轉(zhuǎn)、錨和錨唇的貼合情況等錨系運動狀態(tài)，查看任意角度、任意節(jié)點的實體剖面情況，提示出現(xiàn)的刮擦卡位現(xiàn)象和調(diào)整方向。達到合理效果后，檢查錨唇各剖面尺寸、錨鏈筒尺寸、錨鏈筒上下開口定位等參數(shù)，輸出二維CAD放樣圖、布置圖和全方位仿真視頻，供現(xiàn)場生產(chǎn)使用。

起錨動力學分析：錨鏈從水中提升起來到收回到錨鏈艙中這個過程，屬于質(zhì)量增加情況下的變質(zhì)量動力學問題。假設提起的錨鏈部分的質(zhì)量為m，隨著拉錨過程，錨鏈提起的質(zhì)量不斷增加。在錨機拉力F1、拉起的錨鏈的重力G1、錨鏈受水的力F2，假設錨鏈環(huán)是均勻密度ρ，得方程

在拉錨過程中，分別對恒拉力（根據(jù)規(guī)范計算為209438.25N）和恒速度（10m/min）下起錨運動進行仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 橫拉力和恒速度分析結(jié)果

試驗船初次進行仿真拉錨動態(tài)模擬時錨在經(jīng)球鼻艏上升、錨桿接觸錨唇和進入錨鏈筒階段都沒有問題，但錨爪接觸錨唇并進行貼合翻轉(zhuǎn)時出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象（可見圖5 木模拉錨試驗和仿真拉錨試驗對比）。通仿真系統(tǒng)多維度剖解演示，發(fā)現(xiàn)錨桿不在錨鏈筒中心位置，需要減小錨鏈筒中心線與垂線的夾角。修改后進行仿真拉錨動態(tài)模擬，實現(xiàn)船錨上升、錨爪翻轉(zhuǎn)、接觸錨唇、沿著錨唇滑動、與錨唇貼合一系列動作，最終錨座及兩個錨爪都與錨唇緊密貼合，形成三點定位的穩(wěn)固受力狀態(tài)，如圖4。調(diào)整錨不同的初始平衡位置并改變收放錨速度，反復多次驗證，錨均能順利收入和放出錨鏈筒，智能仿真錨系布置及拉錨動態(tài)模擬試驗完成。

圖4 錨與錨唇貼合正視、側(cè)剖視圖

3 木模拉錨與仿真結(jié)果對比驗證

為了驗證智能仿真拉錨系統(tǒng)的可行性和準確性，將試驗船的智能錨系三維模型布置導出錨系二維CAD 圖紙，包括初始錨系布置圖和仿真拉錨修改后的布置圖，按照智能仿真系統(tǒng)錨系布置和拉錨試驗的過程進行木模制作和木模拉錨試驗。木模船體分段及錨鏈筒、錨唇等部件首先按初始錨系布置裝配后進行木模拉錨試驗，結(jié)果出現(xiàn)與智能仿真系統(tǒng)初次拉錨狀況同樣的卡錨現(xiàn)象，如下圖5。

圖5 木模與仿真拉錨卡錨位置對比

按照智能仿真系統(tǒng)修改過程進行木模修改，重新進行木模拉錨試驗，拉錨過程和貼合效果與智能仿真拉錨一致，如圖6，從而驗證了智能仿真拉錨技術(shù)是可靠和準確的。

圖6 木模與仿真拉錨貼合情況對比

4 錨系分段安裝及拉錨試驗

智能仿真錨系布置及拉錨仿真試驗提升了錨系生產(chǎn)設計的精準性和快速性，使安裝時機能夠跟上船體分段建造的節(jié)點，從而可以實現(xiàn)錨系安裝工序前移到分段進行，分段時期的敞開結(jié)構(gòu)能夠有效改善施工空間和環(huán)境，尤其是斜插構(gòu)件錨鏈筒和在曲率外板安裝的錨唇的裝焊難度大大降低，變仰焊為平焊，安裝空間增大，使安裝工藝簡化，建造精度提高。施工時除參照圖紙外還可以隨時多角度觀看虛擬仿真視頻中各部件的定位和結(jié)構(gòu)關(guān)系等，重點需要確保錨鏈筒上下出口定位及開孔準確并控制裝焊焊接變形[8]。除了錨鏈筒部件和錨唇部件外，錨機基座、錨鏈管部件、錨鏈艙眼環(huán)及棄錨器等均在分段階段安裝，安裝空間和環(huán)境好，且減少船臺周期。但導鏈滾輪掣鏈器需要等船臺上安裝錨機、錨鏈和錨等設備后進行安裝調(diào)整。

試驗船錨機為電動錨機，供電后拉錨試驗即可在船臺進行，實船拉錨試驗首次成功，通過多次試驗，拋收錨過程流暢順利，無卡阻和刮擦現(xiàn)象，錨收起后與錨唇貼合緊密，固定牢固。

在船舶下水后的系泊試驗和海上試驗中，又進行了多次反復快慢收拋錨試驗，效果均和船臺首次拉錨試驗一致，效果良好，最終完成的實船錨系安裝情況如下圖7。

圖7 實船錨和錨唇貼合良好

5 結(jié)論

（1）應用錨系智能仿真技術(shù)，可視化錨系多維度空間布置，還原實船安裝和操作環(huán)境，提高布置精度，縮短設計和驗證周期，優(yōu)化了船舶生產(chǎn)設計。

（2）通過木模放樣還原智能仿真的問題過程和解決過程，驗證了智能仿真技術(shù)的可行性和準確性。

（3）縮短了船臺建造周期，實船拉錨一次成功，后經(jīng)船臺和水下多次拉錨試驗，成功率100%，提升了船舶建造精度。

（4）隨著智能造船技術(shù)的發(fā)展，錨系智能仿真和分段安裝技術(shù)將為精度造船、綠色造船和智能造船提供有效技術(shù)支持。