舷側(cè)艏錨錨鏈摩擦外板問題分析

范井峰 何 秦

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

舷側(cè)艏錨錨鏈摩擦外板問題分析

范井峰1何 秦2

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

某型小水線面雙體船采用舷側(cè)出錨，在開放海域內(nèi)拋錨后，船體隨風(fēng)浪漂移，從而引發(fā)錨鏈與船體外板摩擦。文中利用懸鏈線方程并結(jié)合圖示詳細(xì)分析了此類問題的起因，分析得出最優(yōu)解決方案，從而有效避免后期類似問題的發(fā)生，較好地提高了船舶使用性能。

小水線面雙體船；摩擦外板；懸鏈線；拋錨分析

引 言

小水線面雙體船是高科技、高附加值、高性能船舶，因其優(yōu)良的耐波性、寬敞的甲板面積以及水下輻射噪聲易于控制等顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用與快速發(fā)展［1］。某型小水線面雙體船設(shè)置在艏部左右兩舷側(cè)出錨，并在9 600水線、88號(hào)肋位處設(shè)置暗式錨穴位。該船一般在珠江口海域進(jìn)行作業(yè)，錨地水深約十幾米。拋錨時(shí)，左、右錨拋放與收起情況均正常，拋起錨過程中無碰擦船體現(xiàn)象，錨鏈一般拋出4～5節(jié)，拋錨后抓力良好，未出現(xiàn)走錨現(xiàn)象。但是在拋錨一定時(shí)間后，隨流向和風(fēng)浪力的改變，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錨鏈繞進(jìn)艏部潛體內(nèi)側(cè)，致使錨鏈與船體外板摩擦、油漆脫落（見圖1）。

圖1 艏部右片體內(nèi)側(cè)

潛體外板摩擦的范圍大致發(fā)生在88號(hào)向艉2個(gè)肋位左右以及88號(hào)向艏5個(gè)肋位左右的地方，支柱體前緣受摩擦部位高約4.2～6.2 m處（見圖1），發(fā)生的概率約為40%～50%。

1 原因分析

水流速度是沿水深而變化的，故水下錨鏈所受到的水流作用也是隨水深變化的，但與表面水流相比，深水流作用要小得多，所以通常在靜力計(jì)算中，假定錨鏈所受水阻力集中作用在最上端，即與船體所受流力一并考慮。若不考慮錨鏈?zhǔn)芾瓡r(shí)的彈性伸長(zhǎng)，則可認(rèn)為錨鏈在兩端張力及自重作用下保持平衡［2］。

作用于船舶的環(huán)境力的合力H為水平方向，該力通過錨鏈作用于錨。在不發(fā)生走錨時(shí)，錨的水平抓力HO與環(huán)境力H平衡［3］。

當(dāng)拋錨時(shí)拋出錨鏈足夠長(zhǎng)，可使懸鏈線在錨點(diǎn)處與海底相切，即θO=0，此時(shí)錨僅有水平作用力HO（VO=0），在此情況下可得出錨鏈懸垂鏈條線滿足方程［3］：

由于sec2θ=1+tan2θ，則可得到：

變形得到：

上述各式中：

ω為單位長(zhǎng)度錨鏈質(zhì)量；

s、y、x、θ見圖2所示；

圖2 船舶拋錨簡(jiǎn)圖

現(xiàn)假定懸鏈長(zhǎng)度為4節(jié)錨鏈（110 m）、水深為20 m、作用于船舶的環(huán)境力的水平方向合力為9 666 kg，便可得出在此情況下水平外力平衡下的懸鏈形式，見圖3中①所示。

拋錨后，海域風(fēng)浪流發(fā)生變化，船在風(fēng)流外力作用下船位改變。當(dāng)外力減小，錨鏈?zhǔn)芰σ匦逻_(dá)到平衡，使錨鏈躺底，引起船位移動(dòng)，致使錨鏈繞進(jìn)潛體艏部?jī)?nèi)側(cè)并卡住，摩擦船體。

圖3 首制船在環(huán)境力變化時(shí)拋錨懸鏈線對(duì)比圖

在圖3中：②表示本船隨著風(fēng)浪合力變化到589 kg時(shí)，錨鏈?zhǔn)艿胶狭σ矞p小，錨鏈躺底長(zhǎng)度增加，引起船舶前移8.7 m，使得錨鏈與船體艏部潛體可能發(fā)生相互摩擦；③表示在風(fēng)浪力進(jìn)一步減小到355 kg時(shí)，錨鏈就有可能繞進(jìn)艏部潛體，使錨鏈與艏部連接橋片體相互摩擦。

由上述分析可知：該船在原狀態(tài)下拋錨后，當(dāng)外部環(huán)境力稍有變化，即有可能導(dǎo)致錨鏈繞進(jìn)潛體艏部?jī)?nèi)側(cè)。

2 修改方案

海域風(fēng)流變化不可避免，解決此問題時(shí)應(yīng)考慮：一是盡量避免錨鏈繞進(jìn)潛體內(nèi)側(cè)；二是即使繞進(jìn)潛體內(nèi)側(cè)也不會(huì)卡住；三是即使卡住也要減輕錨鏈對(duì)船體的傷害。因此提出以下三種修改方案。

2.1 出錨位置改動(dòng)

參考現(xiàn)有雙體船的錨設(shè)置，考慮將錨收藏位置移至船艏片體中部，取消錨穴，改用錨架收藏錨（見圖4），同時(shí)與錨配套裝置作相應(yīng)更改以及結(jié)構(gòu)相應(yīng)加強(qiáng)。

由圖5可知，當(dāng)出錨點(diǎn)由原方案前移至片體艏部拋錨位置后，船前移至潛體艏部碰懸鏈位置的距離由8.7 m增加至41 m，錨鏈繞進(jìn)潛體艏部概率則大大降低。

2.2 板厚加厚

由于錨鏈與船體外板摩擦致使油漆脫落，且該處的外板長(zhǎng)期浸泡于海水中，考慮到腐蝕的影響，根據(jù)《CCS小水線面雙體船指南2005》中“基于潛體外板20年的設(shè)計(jì)壽命”，故考慮1.5 mm的腐蝕余量。考慮到本船的壽命，折算后應(yīng)考慮1.875 mm的腐蝕余量，可以把受摩擦處板厚增加2 mm。此外，應(yīng)考慮錨鏈與船體外板摩擦導(dǎo)致油漆脫落而發(fā)生腐蝕，因此建議船上岸時(shí)要及時(shí)對(duì)油漆脫落處進(jìn)行修補(bǔ)。

2.3 外板處焊接圓鋼

在錨鏈與船體外板摩擦的地方焊接3根半圓鋼管，使錨鏈與船體外板不直接接觸，圓鋼的范圍以88號(hào)向艉延伸2檔肋位，以及88號(hào)向艏延伸5檔肋位。在加強(qiáng)范圍內(nèi)先焊接覆板與船體外板連接，然后在覆板上焊接半圓鋼管。

圖4 片體中間船艏出錨布置

圖5 首制船和改進(jìn)方案拋錨懸鏈線對(duì)比圖

由上述分析可知，出錨位置前移將有效減少錨鏈繞進(jìn)潛體內(nèi)側(cè)及卡住的可能性，所以出錨位置改動(dòng)方案可以有效避免錨鏈繞進(jìn)潛體（見圖5），解決因錨鏈繞進(jìn)潛體后起錨操作不便的問題。板厚加厚方案和外板處焊接圓鋼方案均不能有效避免錨鏈繞進(jìn)潛體內(nèi)側(cè)，只能對(duì)錨鏈繞進(jìn)潛體進(jìn)行補(bǔ)救，因此出錨位置改動(dòng)方案（見圖4）為最優(yōu)方案。

3 結(jié) 論

在工程中，懸索橋、架空電纜、雙曲拱壩等都是應(yīng)用懸鏈線原理，同樣在船舶設(shè)計(jì)中系泊帶纜的纜繩、補(bǔ)給作業(yè)時(shí)的高架索也視作一種懸鏈線，利用懸鏈線可以有效分析這些工程應(yīng)用中的受力狀態(tài)、解決工程難題。

船舶在拋錨系留時(shí)，錨索呈懸鏈狀態(tài)。無論錨鏈還是鋼絲繩都有良好的柔性和均勻的質(zhì)量，因此采用單一的錨鏈或鋼絲繩的錨索均可視為簡(jiǎn)單懸鏈線［4］。本文利用懸鏈線原理分析了舷側(cè)艏錨摩擦外板問題的原因與解決方案，不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法。

4 致 謝

本文在撰寫過程中得到了蔡新功博士的大力支持，在此深表謝意。

［1］ 林偉國(guó)，朱云翔，范井峰，等.小水線面雙體船的發(fā)展及在海軍艦船領(lǐng)域中的應(yīng)用前景［J］.船舶，2007（3）：1-5.

［2］ 葛云卿，朱國(guó)英，吳洪保，等.船舶設(shè)備［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1985：207-212.

［3］ 姚化利.自由拋錨控制技術(shù)研究方向的看法［J］.船舶，2009（5）：44-46.

［4］ 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)手冊(cè):舾裝分冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999：101-103.

Analysis of friction between bow anchor chain of shipboard and outside plating

FAN Jing-feng1HE Qin2
(1. Representative Office of Naval Warship Design & Research, Shanghai, 200011, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Since a certain type of SWATH is anchored from the shipboard, its outside plate rubs against the anchor chain due to the drift of ship hull in the wave when the ship is anchored in the open sea area. This paper detailedly analyzes the cause of this problem through the catenary equation together with illustration, and proposes an optimized resolution in order to effectively avoid similar problems, which can greatly improve the ship performance.

SWATH; friction with outside plating; catenary; anchoring analysis

U667.4

A

1001-9855（2014）01-0082-04

2013-03-26；

2013-04-16

范井峰（1978-），男，工程師，研究方向：船舶舾裝研究與設(shè)計(jì)。

何 秦（1987-），男，助理工程師，研究方向：船舶舾裝研究與設(shè)計(jì)。