錨唇受力分析

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

錨唇是位于錨鏈筒外板出口處，承受錨與錨鏈的碰撞力和摩擦并使錨穩定貼合于收藏位置的似橢圓形環狀結構[1]。錨唇為錨的收納提供貼合面，不直接承受錨重，但會承受錨的撞擊。錨唇作為錨鏈的通道，直接承受錨鏈的壓迫和摩擦。錨唇受力取決于錨和錨鏈的運動情況。以艏錨為例，當船舶處于錨泊狀態時，錨泊力使船舶達到平衡狀態，在風浪的作用下，錨鏈會彈跳撞擊錨唇。拋錨和收錨時，錨鏈和錨由于自重下落，對錨唇形成壓力和摩擦。航行中，錨受風浪作用，并撞擊錨唇。在極端狀態下，錨鏈斷裂，或對錨唇有一定的沖擊。錨和錨鏈運動的不確定性，增加了錨唇受力分析的難度。錨唇的強度分析需要了解確定的錨唇受力。已有研究對對錨泊狀態時錨唇進行受力分析，利用錨鏈破斷力，推導出錨唇所受正壓力的計算公式，并估算錨唇受力極值為錨鏈破斷力的50%[2]。該方法受限于錨泊狀態，所以，一般引用錨鏈破斷力作為評估錨唇受力的直接因素。本文綜合錨泊、拋錨和收錨、錨存、斷鏈等實際情況，對錨唇受力進行詳細分析。

1 錨泊狀態錨唇受力

圖1 錨鏈懸垂狀態受力

不走錨時，H0與H相當，由此導出A點的錨鏈張力為

(1)

式中：w為錨鏈在海水中的單位長度質量負荷；y為拋錨深度。

H0包含錨的水平抓力及臥底錨鏈作用力[3]：

H0=Ha+Hc=λaWa+μcwlc

(2)

式中：λa為錨在抓力系數；Wa為錨在海水中的質量負荷；μc為臥底錨鏈的摩擦系數；w為錨鏈在海水中的單位長度質量負荷；lc為臥底錨鏈長度。

由于錨和錨鏈在海水中的質量負荷為其在空氣中質量負荷的87%，假定錨自身重力為G，錨鏈單位長度的自身重力c，A點錨鏈張力為

T=0.87(λaG+μcclc+cy)

(3)

錨鏈張力由錨抓力、臥底錨鏈作用力和懸垂錨鏈作用力組成。

拋錨完畢后，掣鏈器拉緊錨鏈，錨鏈獲得最佳定位角度，以保證錨泊力完全傳遞給船舶，減少損耗。在船舶設計時，錨鏈與掣鏈器鏈輪相切，該切線與錨鏈筒中心線保持一致，錨鏈由于柔性特點將不會發生較大偏轉。以錨唇為界，錨鏈被分為上部錨鏈和下部錨鏈，上部錨鏈沿錨鏈筒中心線處于張緊狀態，下部錨鏈處于懸鏈狀態，錨鏈張力T與上述A點錨鏈張力一致。假定錨鏈筒中心線與水平之間的夾角為α，錨唇處錨鏈切線的水平角度為θ，上、下部錨鏈在錨唇處夾角為β(β=180°-(θ-α))，見圖2，則錨唇受力為

(4)

錨唇受力和錨鏈張力與(θ-α)相關，其中，可將(θ-α)看做錨鏈在錨唇處的偏轉角度。

“法制”與“法治”有著區別和聯系。一方面，“法制”是指法律制度的綜合，是中性的和靜態的，其作為一種國家統治工具，既可能出現在“人治”社會，也可能出現在“法治”社會。“法治”是指立法、執法、司法、守法、普法等各個環節的有機統一，是褒義的和動態的，表征一個社會的法律治理。另一方面，“法制”是“法治”的基礎。有了相對完備的法律制度才能更好地實現法律治理。相應的，從“法制教育”轉變為“法治教育”，意味著我國的普法教育要從知識層面提升到理念、文化和信仰層面。特別是在農村這樣的熟人社會特點猶存、遺風陋俗仍然存在和人口法律素養相對落后的地區，要實現鄉村的振興，該理念的轉變就顯得更為重要。

圖2 錨泊狀態錨唇受力示意

當θ<α時，錨鏈作用力F為負值，錨鏈會向錨唇上部靠近，船舶相對水平移動，此時需要增加錨鏈長度或改變上述偏轉角度，重新建立平衡。

當θ>α時，錨鏈合力F為正值，下部錨唇將受到壓迫。在錨泊設計中，α一般在30°～60°范圍內，根據實際錨泊狀態，參照臥底錨鏈長度計算方法可知θ一般在20°～60°之間[4-5]。

2 拋錨和收錨狀態錨唇受力

2.1 拋錨過程中錨鏈張力

拋錨過程分為3個階段:①錨入水之前，錨鏈和錨勻速垂直下落，錨鏈張力由錨重力和錨鏈長度重力組成;②錨入水但未達海底面之前，入水錨鏈長度不斷增加，錨和錨鏈受海水浮力作用，錨鏈張力為拋錨深度上錨和錨鏈的負荷組成。隨著水深的增加，該階段錨鏈張力最終將大于第一階段錨鏈張力;③錨接觸底質后，錨水平抓力不斷增大以抵消外界環境力，錨鏈長度繼續增大，最終狀態趨同于錨泊狀態，錨鏈張力達到最大。

第三階段可借助于錨泊狀態獲得最大錨鏈張力。此前階段錨鏈張力可視為拋錨深度上錨的質量負荷和錨鏈的質量負荷之和，即

T=0.87(G+cy)

(5)

2.2 收錨過程中錨鏈張力

收錨同樣分為3個階段：①錨鏈被錨機不斷收起，錨離開底質之前，錨鏈由錨泊狀態的懸鏈狀態變為拉直狀態，錨鏈張力迅速減小為拋錨深度的錨鏈負荷；②起錨到錨被拉出水面，此階段錨自身特點被錨鏈拉離底質，錨鏈張力瞬間增大，此后隨著錨鏈被進一步收起，錨鏈張力有所變??；③錨被拉出水面并逐漸被固定在儲藏位置，錨鏈張力由錨的質量負荷和錨鏈的質量負荷組成。收錨過程幾乎是與拋錨的逆過程，錨鏈張力的變化及判定參見式(5)。

2.3 拋錨和收錨狀態錨唇受力

不同于錨泊狀態，拋錨和收錨過程中由于錨鏈和錨的自重作用，錨鏈錨鏈在通過錨唇后向下處于垂直狀態，與錨鏈筒內張緊的錨鏈形成固定夾角，從而對下部錨唇造成壓迫。為求簡化，仍假設錨鏈筒內張緊的錨鏈沿著錨鏈筒中心，錨唇受力狀態見圖3。錨鏈張力T見式(6)，錨唇受力為

(6)

錨唇受力取決于錨鏈張力和錨鏈筒中心線的水平夾角α。

圖3 拋錨和收錨狀態錨唇受力示意

3 其他狀態錨唇受力

3.1 錨存狀態錨唇受力

船舶航行時，錨處于收納狀態，錨頂部通過錨鏈被止鏈器閘刀卡住，錨用擎錨索鎖緊。大風浪中，海浪對船體的撞擊會使船舶產生抖動，并使錨產生一定的動量，極易造成錨的松脫。如果錨與錨唇沒有緊密貼合，錨被海浪托起，錨沿著錨鏈筒向上運動，并以一定加速度撞向錨唇。

如圖4所示,假定錨以加速度a沿錨鏈筒向上運動并撞擊錨唇，其重力為G，撞擊力F為

(7)

圖4 錨運動時錨唇受力示意

錨唇所受撞擊力與錨自身質量和加速度相關。

假設錨于錨唇緊密貼合，兩者相對距離為0.1 m，錨相對于錨唇的速度為0。在海浪作用下，錨在0.3 s內完成對錨唇的撞擊，此時的加速度相當于重力加速度的20%。

當錨被收納拉緊瞬間，并完全貼合于錨唇表面，錨由運動改為靜止，對錨唇也有一定的撞擊作用。拋錨時，打開擎錨索瞬間，錨由于自重向下運動，錨桿對錨唇產生一定的撞擊。上述操作一般借助機械控制，較為平緩，錨和錨桿的加速度將不會大于波浪中錨的加速度。

3.2 極端狀態錨唇受力

當環境力發生突變，錨泊力跟隨增大，錨鏈張力發生劇增，或可引起錨鏈斷裂。起錨一旦發生卡錨和錨被纏繞的現象，如若強行拉錨，易造成錨鏈斷裂、錨機受損等事故，應當極力避免。

錨鏈張力大于錨鏈破斷力時，錨鏈會發生斷裂，屬于極端狀態。從船舶實際運營情況看，錨鏈斷裂一般位于其薄弱處，或腐蝕嚴重，或錨鏈裂痕，或插銷斷裂，錨鏈張力遠未達到錨鏈破斷力。根據止鏈器的制造說明，止鏈器的支持負載應與試驗負荷相當，為錨鏈破斷力的80%。即使新錨鏈發生斷裂，錨鏈張力也不會超過錨鏈破斷力。

對于錨唇，如果錨鏈在錨唇接觸部位或者附近斷裂，那么在斷裂前的一瞬間對錨唇的作用力將達到極值。極端狀態下，錨尚未離開底質，錨鏈被拉直或接近垂直狀態，錨唇受力情況見圖5。

圖5 極端狀態錨唇受力示意

此狀態與錨泊狀態類似，錨唇受力為

(8)

式中：P為錨鏈破斷力；(θ-α)為錨鏈偏轉角度，其中θ一般大于60°。

4 錨唇受力極值

錨的重力、錨鏈長度、錨鏈重力、錨鏈破斷力和錨的加速度都會影響錨唇受力。為了確定錨唇受力極值，為錨唇的強度分析提供數據依據，需要根據每條船的實際情況進行分析。為簡化過程，選取幾型船舶進行分析，艏錨質量與錨鏈規格及長度通常按照船級社規范要求選取，見表1。

表1 船型基本參數

借鑒大型船舶錨泊經驗及以往計算研究[6-8]，假定錨抓力系數為8，拋錨深度為100 m，臥底錨鏈長度為6～10節，臥底錨鏈摩擦系數為0.75。各種狀態下錨唇受力數據見表2。

由表2可見，正常錨泊時錨鏈張力較大，錨鏈在錨唇處的偏轉角度較小，錨唇受力大小僅為錨鏈張力的17%左右。拋錨和收錨時，錨鏈處于垂直狀態，錨唇受力大小將達到錨鏈張力的70%～80%，但此時錨鏈張力僅為錨泊狀態錨鏈張力的20%，錨唇受力相對前者較小。當錨以一定加速度撞擊錨唇，撞擊力可與拋錨時錨唇受力相當，甚至更大。極限狀態下，錨唇受力大小約為錨鏈張力的40%～50%，個別將達到60%，假定此時錨鏈張力為錨鏈破斷力的80%，那么錨唇受力將達到錨鏈破斷力的50%。

表2 各狀態錨唇受力對比

5 結論

不同狀態下錨唇受力計算表明，錨的重力、水中錨鏈長度、錨鏈重力和錨的加速度都會影響錨唇受力，錨鏈角度和錨鏈筒自身設計特點也會影響錨唇受力。借鑒船舶錨泊研究和實際錨泊經驗，選取不同船型，深入分析錨唇受力極值問題，結果顯示，錨唇受力極限約為錨鏈破斷力50%，此數據可直接用于錨唇的極限強度分析。