基于仿真的錨系設(shè)計優(yōu)化

陳正云,何成能,肖浩,劉志強

(1.上海外高橋造船有限公司,上海 200137;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

錨泊是船舶主要的停泊方式之一,對于船舶航行安全性有重要影響[1]。因此錨設(shè)備的拋、拉錨順暢性,設(shè)備使用的便利性等設(shè)備使用性能,以及有無其他異常情況等,一直以來都是船東和船級社較為關(guān)注的驗收項目。為了驗證設(shè)計的合理性,傳統(tǒng)方法是進行木模拉錨試驗,根據(jù)拉錨實驗中出現(xiàn)諸如錨碰撞外板、錨鏈碰撞錨鏈筒等情況,再修改錨唇的曲面外形,錨鏈筒位置等等,之后再將修改后的設(shè)計通過木模試驗進行驗證[2-3]。通過對木模實驗-修改-木模試驗的流程的不斷反復(fù),最后才能得到較為理想的設(shè)計結(jié)果。顯然,這種做法周期長,成本高。為此,考慮在大型郵輪建造前期,引入了拉錨仿真軟件對大型郵輪的錨系設(shè)計進行了仿真驗證。

1 錨系設(shè)計要求和主要問題

1.1 錨系布置要求

受制于艏部甲板空間大小,錨系布置首先考慮甲板機械的布置,對于艏樓甲板充裕的大型船舶,常采用臥式錨機,以便于后續(xù)錨系布置。而作為非標(biāo)件的錨鏈筒及凸臺和錨唇等是錨系布置能否成功的關(guān)鍵[4],所以,錨系布置通常在總布置圖、線型圖和錨鏈艙布置確定后再進行綜合考慮。

錨鏈筒的主要設(shè)計要求為:合理選擇錨鏈筒軸線與船舶垂線夾角,以保證起錨、拋錨過程順暢,同時避免錨鏈筒出口過低使錨的收藏位置在滿載時離水線過近;選擇合理錨鏈筒下口位置,使錨在運動中保持離船殼有至少300 mm以上間距。

錨臺和錨唇的外形設(shè)計應(yīng)首先確定錨泊布置,然后根據(jù)錨鏈筒的位置、錨的形式和大小以及外板的線型進行錨唇的設(shè)計。錨唇就是錨鏈筒外板出口處,由鋼板和鑄鋼構(gòu)成的凸緣,作用是減少錨鏈與船體外板的摩擦,并使得在起錨時錨桿順利地進入錨鏈筒和在拋錨時又能輕易地離開錨鏈筒,用于錨冠和錨唇互相貼緊,防止錨的松動。錨臺和錨唇設(shè)計原則:錨收存后能與錨唇貼合緊密;拉錨時應(yīng)避免卡錨現(xiàn)象,并避免錨碰船殼外板;拋錨時避免錨爪接觸船殼外板;錨唇外部線型光順;錨唇厚度滿足強度的要求。錨唇高度應(yīng)包含錨唇內(nèi)側(cè)全部的圓弧曲面,圓弧曲面至少支撐3個鏈環(huán),見圖1。

圖1 錨臺和錨唇分隔示意

1.2 主要問題

1)錨爪無法貼合,與錨唇之間間隙很大,導(dǎo)致錨爪與錨唇間產(chǎn)生撞擊,影響使用壽命。

2)錨唇出口的口徑較小,當(dāng)緩慢放錨鏈,錨卸扣通過錨唇孔時,轉(zhuǎn)環(huán)卸扣寬度方向橫卡在錨唇開口的短軸方向,無法在重力作用順利下落。

3)錨鏈在起錨的過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn),當(dāng)情況輕微時,影響起錨速度,當(dāng)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重時,會發(fā)生掣鏈器的跳鏈現(xiàn)象。

綜上所述,錨系設(shè)計是空間幾何曲面設(shè)計,傳統(tǒng)設(shè)計方法是通過基本型類推,進行二維設(shè)計;而錨系運動是在多動態(tài)力約束下的非線性多體動力學(xué)運動,目前缺少精確的解析設(shè)計方法,只能通過木模試驗反復(fù)驗證設(shè)計合理性。基于傳統(tǒng)二維設(shè)計加木模試驗方式的固有特點,面臨的問題有:周期長 、成本高 、誤差大 、修改指向性差 、無法模擬實際船態(tài) 。

2 仿真技術(shù)在錨系布置中的應(yīng)用

完善設(shè)計,傳統(tǒng)的木模驗證試驗流程見圖2。

圖2 木模實驗流程

此過程,若結(jié)果不理想,則需要多次進行木模試驗。隨著CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字仿真技術(shù)甚至數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展,使得其仿真結(jié)果變得愈發(fā)貼近現(xiàn)實,其置信度也可為工程應(yīng)用所接受,導(dǎo)入仿真技術(shù)的驗證流程見圖3。

圖3 拉錨仿真流程

利用仿真技術(shù),可以在設(shè)計前期對相對不成熟的布置方案進行快速驗證迭代,最終確定一個相對成熟的方案。由于算力的限制,會對數(shù)字模型進行一定程度的簡化,還需要實際木模驗證。但對于已經(jīng)相對成熟的方案,其木模實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相差不遠(yuǎn),異常情況發(fā)生的可能性較小。由此,可以大大減少木模試驗的次數(shù),以達(dá)到降本增效的目的。

3 實船應(yīng)用

針對在建大型郵輪已有的錨系布置方案,借助仿真軟件直接建模、裝配、仿真,可以直觀顯示錨鏈錨柄在錨鏈筒中的運動情況以及錨唇最終的貼合狀態(tài)。此次錨系仿真的是錨穴結(jié)構(gòu),創(chuàng)建的錨系三維虛擬樣機模型總布置見圖4a)。長鏈?zhǔn)斟^過程中,錨中心線距離球鼻艏部的最近距離是2 078 mm,減去錨的寬1 760 mm,間隙是318 mm(2078-(3520/2)=318)見圖4b),最終貼合狀態(tài)如圖4c)。

圖4 郵輪錨系仿真驗證

以某型船為例,從全新的錨系布置開始,借助仿真軟件交互設(shè)計逐步優(yōu)化錨系布置,以及自主設(shè)計出全新的錨唇。該船采用平衡型的大抓力錨。目前平衡錨和非平衡錨的價格接近,并且平衡錨錨爪翻身相對容易,錨唇形狀左右對稱,便于現(xiàn)場施工安裝。

3.1 數(shù)字原型建立及仿真設(shè)置

首先,根據(jù)實際船型情況設(shè)繪出二維錨系布置圖,在CAD中先初步確定錨唇、錨臺中心剖面的輪廓線,以便在UG中三維建模時二軌掃掠,見圖5。

圖5 錨臺錨唇中心輪廓線

根據(jù)錨唇設(shè)計原則先初步確定錨唇垂直剖面的線型。根據(jù)橫截面建立錨唇錨臺三維模型。仿真所需的各錨系組件全部建模完成后,再按照錨系布置圖中的各組件間的相應(yīng)位置幾何約束對這些部件進行裝配;選取起錨過程中一個相對合適的位置,調(diào)整錨鏈和錨的空間位置完成裝配,然后進行后續(xù)仿真設(shè)置,裝配完成的模型見圖6。

圖6 錨唇三維模型及全模型裝配體

目前所使用的UG軟件已經(jīng)經(jīng)過二次開發(fā),其中的組件大大簡化了錨系運動仿真的設(shè)置流程,這些組件可對運動部件的連桿定義進行批量處理,快速設(shè)置連桿間的接觸屬性和摩擦系數(shù),見圖7。為了減少計算時間,仿真過程經(jīng)過一定的簡化,起錨速度固定為9 m/min,即150 mm/s。

圖7 三維組件接觸設(shè)置

3.2 仿真分析

求解器在計算完成后會產(chǎn)生動畫文件和載荷傳遞記錄等文件。通過這些數(shù)據(jù),便可分析在仿真中錨系各組件在各時刻的運動狀態(tài),判斷運行是否出現(xiàn)異常。通過仿真結(jié)果驗證設(shè)計是否合理主要包括動態(tài)驗證和靜態(tài)驗證兩方面[5]。其中,動態(tài)驗證主要包括錨運動時與船殼外板距離,錨是否能順利翻轉(zhuǎn),各運動機構(gòu)在過程中是否有運動干涉或碰撞,錨鏈?zhǔn)欠翊嬖谂まD(zhuǎn)等。而靜態(tài)驗證則主要包括了錨在收藏位置時是否為多點貼合以保持穩(wěn)定,錨張合的的角度是否超過限制等。若分析結(jié)果出現(xiàn)異常,則修改設(shè)計,再重復(fù)驗證,直至滿足錨系設(shè)計要求。驗證流程見圖8。

圖8 驗證流程

設(shè)計仿真結(jié)果見圖9。根據(jù)圖9所示,在動態(tài)過程中,錨始終離船殼外板有較大的安全距離,同時各機構(gòu)運動順暢,同時在穩(wěn)定狀態(tài),錨的貼合狀況較好。

圖9 仿真結(jié)果(運動和貼合)

但是,由于錨鏈筒的長度較長,盡管其軸線與船垂線夾角已經(jīng)較大,但錨鏈在重力作用下,下垂較為明顯,致使錨鏈在運動過程中的較長時間內(nèi)與錨鏈筒下壁接觸,見圖10。因此,按此設(shè)計建造,實船可能存在下錨鏈筒和錨鏈磨損嚴(yán)重而影響使用[6]。同時,在收藏位置,錨卸扣離錨鏈筒上壁位置過近,可能發(fā)生碰撞。

圖10 運動中錨鏈在錨鏈筒內(nèi)狀態(tài)

3.3 優(yōu)化設(shè)計及其仿真結(jié)果

針對仿真結(jié)果所反饋出的問題,對原設(shè)計進行修改。具體為調(diào)整掣鏈器的導(dǎo)鏈滾輪的位置以解決錨鏈下垂問題;調(diào)整錨臺平面和錨鏈筒軸線的夾角,以壓低錨的收藏位置,避免錨柄卸扣碰撞頂?shù)藉^鏈筒上壁的問題。根據(jù)修改方案,重復(fù)建模、設(shè)置及仿真,結(jié)果見圖11。

圖11 修改后仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示,修改后的設(shè)計解決了上述問題,同時沒有新的異常情況出現(xiàn)。根據(jù)最終錨臺和錨唇三維模型,剖出錨臺錨唇8個剖面線型,提交給木工間放樣使用,見圖12。

圖12 錨唇錨臺線型剖面

早期設(shè)計全新的錨唇線型需木工間不斷放樣試驗,錨唇線型的調(diào)整和制作需要耗費大量時間,完整制作一個錨唇得出木模試驗結(jié)果大約15 d。并且根據(jù)試驗結(jié)果如何對木模錨唇線型修改,需要木工師傅有很強的拉錨經(jīng)驗。而三維交互設(shè)計降低了木模制作的難度,前期規(guī)避了拉錨試驗錨系靜態(tài)和動態(tài)問題,提高了木模試驗的成功率,縮短了木模試驗周期,一次性木模試驗成功。木模結(jié)果和仿真結(jié)果見圖13。

圖13 木模實驗結(jié)果和仿真貼合位置比較

木模驗證的結(jié)果顯示,修改后的設(shè)計方案在運動中沒有干涉,收藏狀態(tài)貼合良好,符合設(shè)計要求,可以進行后續(xù)建造。同時,木模結(jié)果也和數(shù)字仿真結(jié)果非常接近,證明數(shù)字仿真的結(jié)果足夠作為設(shè)計修改的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

通過數(shù)字化建模和數(shù)字仿真,可以快速將二維設(shè)計轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型并進行數(shù)字驗證,提前規(guī)避問題,縮短設(shè)計周期,保障木模試驗的成功率。并且通過三維仿真的交互設(shè)計可以快速設(shè)計新的錨唇線型,在木模試驗前期發(fā)現(xiàn)問題,直接在仿真階段不斷迭代生成成熟的設(shè)計方案,優(yōu)化錨系布置,大大減少木模試驗的次數(shù)和成本。此技術(shù)可推廣后續(xù)船的錨系設(shè)計,生成錨系案例數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)后續(xù)船錨系標(biāo)準(zhǔn)化,助力造船事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。