基于CATIA的錨泊設(shè)計優(yōu)化和仿真

摘 要：傳統(tǒng)的錨泊布置設(shè)計步驟繁雜，且重復(fù)工作量大，通過引入?yún)?shù)化建模設(shè)計思路和知識工程理念并結(jié)合CATIA軟件對錨泊布置設(shè)計進行流程優(yōu)化和知識工程積累，以達到快速建模和參數(shù)化維護目的，從而在提高設(shè)計質(zhì)量的同時縮短整個錨泊設(shè)計周期，降低設(shè)計、修改和維護成本。

關(guān)鍵詞：錨泊布置設(shè)計；CATIA；參數(shù)化；知識工程

中圖分類號：U664.4 文獻標識碼：A

1 引言

錨泊是船舶和海洋平臺的一種停泊方式，也被稱為拋錨系留。錨泊設(shè)備由以下主要部分組成：錨、錨鏈、錨鏈筒、掣錨器、掣鏈器、導(dǎo)鏈滾輪、導(dǎo)鏈器、錨機、錨鏈管、錨鏈艙和棄鏈器。按照作業(yè)工況和要求，錨泊設(shè)備主要有三種分類：臨時錨泊設(shè)備、定位錨泊設(shè)備和深海系留錨泊設(shè)備。各個錨泊設(shè)備的組合與協(xié)作構(gòu)成了錨泊系統(tǒng)，而錨泊系統(tǒng)的功能和特性則由錨泊布置設(shè)計決定，因此錨泊布置設(shè)計的優(yōu)劣直接影響了錨泊系統(tǒng)的功效和船舶的安全。

2 錨泊布置設(shè)計現(xiàn)狀

錨泊布置設(shè)計一直是船舶設(shè)計工作中的重點之一，其主要內(nèi)容包括錨泊設(shè)備的布置、錨的數(shù)量和重量、錨鏈的直徑和長度、錨機的種類和工作方式、錨鏈筒和錨穴的結(jié)構(gòu)型式等，以上內(nèi)容涉及到結(jié)構(gòu)強度校核、舾裝布置優(yōu)化和交叉專業(yè)協(xié)調(diào)等工作，需綜合考慮多方面因素確定最終方案。然而現(xiàn)階段的錨泊布置設(shè)計效率很低，因為其設(shè)計工作很大程度上依賴于設(shè)計人員實際經(jīng)驗的積累，其步驟一般是設(shè)計人員參考《舾裝設(shè)計手冊》及相關(guān)規(guī)范文件進行初步設(shè)計，然后再根據(jù)具體船型和船東要求逐步修改調(diào)整，最終形成相對完善的錨泊布置圖。這樣的設(shè)計方式已不能滿足先進船舶設(shè)計的發(fā)展趨勢和要求，因此尋找一種合理可行且方便快捷的新設(shè)計方式已迫在眉睫。

3 CATIA概況及應(yīng)用

CATIA V5是Dassault System和IBM共同開發(fā)和推出的CAD/CAE/CAM 一體化軟件，應(yīng)用范圍包括概念設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、三維建模、分析計算、動態(tài)仿真模擬和加工制造領(lǐng)域，在航空，汽車和機械加工行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。而CATIA在船舶行業(yè)的應(yīng)用雖不及其在航空、汽車和機械加工行業(yè)普及，但其軟件功能上一直有著豐富的適合于船舶設(shè)計的模塊，如SPL-船舶結(jié)構(gòu)初步布局設(shè)計模塊、SDD-船舶結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計模塊、SFD船舶結(jié)構(gòu)功能設(shè)計模塊、HVA-HVAC設(shè)計模塊、DMU-電子樣機系列模塊、KA/KE知識工程模塊等。所以，在理論上CATIA為錨泊布置智能化設(shè)計提供了軟件基礎(chǔ)，通過逐步整理和優(yōu)化可實現(xiàn)錨泊布置智能化設(shè)計工作。

4 基于CATIA參數(shù)化設(shè)計的錨泊設(shè)計

結(jié)合CATIA具體的功能模塊，船舶錨泊布置設(shè)計首要任務(wù)是進行參數(shù)化建模。所謂參數(shù)化建模是指當設(shè)計對象形狀樣式比較定型，可用一組參數(shù)約束該設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)尺寸和特征，參數(shù)約束與設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)尺寸和特征有顯式對應(yīng)關(guān)系，當參數(shù)被賦予新值之后，可以驅(qū)動原設(shè)計對象更新到與新值相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸和特征，此理念即參數(shù)化建模的基礎(chǔ)。具體到錨泊布置設(shè)計工作，首先確定設(shè)計所需的參數(shù)，此參數(shù)根據(jù)其級次（父級和子級）可劃分為主參數(shù)和從參數(shù)，主參數(shù)是最基本的原始參數(shù)，由用戶結(jié)合實際情況進行賦值；而從參數(shù)則是由主參數(shù)通過規(guī)范公式、經(jīng)驗公式或自定義的設(shè)計表推導(dǎo)得出。在錨泊布置設(shè)計中，可將以下數(shù)值作為原始的主參數(shù)：舾裝數(shù)N、錨機鏈輪中心距離L、錨鏈筒軸線的空間角度（錨鏈筒軸線與中縱面的角度α，錨鏈筒軸線與水平面的角度β）、錨機鏈輪與導(dǎo)鏈滾輪間的錨鏈與水平面的角度γ。而錨數(shù)量、錨重量、錨鏈直徑、錨鏈長度、甲板上錨鏈孔中心距中縱面距離、與錨泊布置相關(guān)數(shù)值則可由主參數(shù)推導(dǎo)得出，即可作為從參數(shù)。

5 基于CATIA數(shù)字樣機的錨泊運動仿真和設(shè)計優(yōu)化

在錨泊布置設(shè)計的前期工作中，主要是參考船級社規(guī)范和經(jīng)驗公式進行初步設(shè)計，而后期工作則需驗證其設(shè)計的合理性和生產(chǎn)的可行性。其中，較為常見的方式就是生產(chǎn)階段進行的樣錨拉錨試驗，即使用木質(zhì)材料制作和實體錨等大的樣錨，通過對樣錨的收放來模擬錨泊布置設(shè)計是否發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉。雖然樣錨拉錨試驗可以大致的模擬實錨的運動過程，但其檢驗的范圍相對局限，如不能完全模擬整個拉錨收錨過程中錨的隨機運動，不能校核錨泊布置設(shè)計中的結(jié)構(gòu)強度等。而且在實際操作中，此過程需消耗較多的人力和物力資源，因此，有必要尋找一種更便捷準確的模擬方式。分析整個錨泊系統(tǒng)的運動過程可知，整個拉錨過程可以分為三個階段：首先是錨被拉起為第一階段初態(tài)，至旋轉(zhuǎn)卸扣到達下錨唇位置為第一階段末態(tài)；其次是旋轉(zhuǎn)卸扣到達下錨唇位置為第二階段初態(tài)，至錨桿開始進入錨鏈筒時為第二階段末態(tài)；最后是錨桿開始進入錨鏈筒時為第三階段初態(tài)，至錨和下錨唇完全貼合時為第三階段末態(tài)。分析整個運動過程，其運動的難點在于錨桿進出錨穴階段和錨對錨唇的貼合程度等。結(jié)合CATIA軟件中的DMU（Digital Mock-Up）數(shù)字樣機模塊集功能，以上運動過程可實現(xiàn)仿真模擬。

具體而言，在此前參數(shù)化建模所獲取的信息的基礎(chǔ)上，通過CATIA DMU模塊集對拉錨過程進行運動仿真和分析。為了較好的實現(xiàn)以上操作，需對模型進行進一步簡化處理以避免數(shù)據(jù)量過于繁雜。現(xiàn)以78m PSV船舶數(shù)據(jù)作為實例進行操作：通過CATIA 多模塊參數(shù)化操作分別建立上艏樓甲板平面（含上錨唇）Upper Forecastle Deck Structure .CATPart ，錨鏈筒Hawse Pipe .CATPart，錨穴（含下錨唇）Anchor Pocket .CATPart，錨鏈 Chain Cable .CATPart，AC-14大抓力錨AC-14 Anchor .CATPart，旋轉(zhuǎn)卸扣 Swivel Shackle .CATPart模型。各個模型之間存在的關(guān)系必須完全符合參數(shù)化建模的思路及所得的數(shù)據(jù)信息，通過DMU模塊中定位工具將上艏樓甲板、錨鏈筒和錨穴三個模型進行固定操作（定義為剛性固定，并選取上艏樓甲板面作為基準面）；將旋轉(zhuǎn)卸扣和AC-14錨進行連接操作（定義為面-面滑動連接）；錨鏈鏈扣與鏈扣之間設(shè)置為內(nèi)側(cè)面-內(nèi)側(cè)面滑動接觸，而整個錨鏈與錨鏈筒內(nèi)側(cè)為滑動接觸。完成對運動副的定義后，將整個拉錨過程按照之前的思路劃分為三個階段，對每個階段進行單獨的設(shè)置以便于分析。 進入CATIA DMU模塊集中的KS（Kinematics Simulator）運動機構(gòu)模擬模塊，可以對錨泊系統(tǒng)的拉錨運動的三個階段進行仿真，仿真視圖可以在任意狀態(tài)暫停和查看。只有整個錨泊系統(tǒng)運動件之間的運動關(guān)系處于合理設(shè)置情況下，才可完成仿真模擬。仿真模擬成功運行后，可通過CATIA DMU模塊集中的Optimizer運動機構(gòu)優(yōu)化模塊進行優(yōu)化處理，以達到錨泊系統(tǒng)運動構(gòu)件的協(xié)調(diào)狀態(tài)。

6 結(jié)束語

錨泊布置設(shè)計工作量大，對設(shè)計人員的經(jīng)驗積累要求較高，且在設(shè)計期間改動次數(shù)較多，因此，傳統(tǒng)設(shè)計方式無法滿足先進船舶設(shè)計的發(fā)展趨勢和要求，而傳統(tǒng)設(shè)計方式的重點和難點問題均可在具有先進設(shè)計理念的CAD/CAE/CAM軟件中得以解決，如本文所提及的CATIA軟件。通過在CATIA軟件環(huán)境下對錨泊布置設(shè)計工作進行智能化和參數(shù)化處理，驗證了錨泊布置設(shè)計的發(fā)展方向和趨勢，同時也展示了CATIA軟件自身所具備的強大的工程設(shè)計、工程輔組和工程分析功能。但在實際應(yīng)用過程中，也出現(xiàn)了較多的不足。如CATIA的通用性太過寬泛以至于設(shè)計思維需從船舶設(shè)計中脫離出來；CATIA模塊的具體功能劃分偏于細化，參數(shù)化設(shè)計表的編制和維護操作不夠人性化，需專門針對具體的設(shè)計內(nèi)容進行二次開發(fā)，從而對設(shè)計人員的素質(zhì)提出了更高的要求。總體說來，CATIA軟件為錨泊布置設(shè)計提供了的一種新思路，即參數(shù)化設(shè)計。此設(shè)計方式可較為明顯的提高整體設(shè)計效率，且在后續(xù)工作中可形成設(shè)計智能積累和參數(shù)化維護，為同類型的設(shè)計工作提供指導(dǎo)和參考，對推進船舶設(shè)計智能化有一定積極意義。