基于Solidworks 的拉錨速度對拉錨影響的仿真分析

陳 壯，張夢婷，曾 巍，盧慧敏

（1.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203；2.中船外高橋郵輪供應(yīng)鏈（上海）有限公司，上海 200137）

1 前言

錨是船停泊時所用的設(shè)備，其作用主要是依靠錨和錨鏈的重力插入海底，以達到在淺海和港灣固定、穩(wěn)定船的目的。船舶航行過程中，考慮到船艏部上浪沖擊等因素，通常設(shè)有錨唇或錨穴以可靠的收緊船錨，避免其擦碰船體損害船體結(jié)構(gòu)。停航時拋錨和航行時收錨，通常都是由船舶液壓（或電動）錨機來完成，而各船級社規(guī)范對錨機性能的要求，通常為根據(jù)錨鏈直徑和錨鏈等級計算的錨機負載下，錨機能連續(xù)工作30 min（平均的拉錨速度應(yīng)不小于9 m/min），而拉錨速度的大小直接影響整個拉錨過程的穩(wěn)定性，過大的拉錨速度會對錨系其他部件產(chǎn)生損害，影響船舶的航行安全。

雖然目前已經(jīng)有眾多船舶甲板機械廠商開發(fā)了各型自動液壓錨機，可以自動控制錨機拉錨速度，通過錨鏈長度傳感器感應(yīng)錨鏈拋出長度，在檢測到錨鏈拋出長度達到設(shè)定拋出長度后，錨機可自動停止；檢測到錨桿即將靠近或者進入錨鏈筒時，錨機接受反饋信號可自動減速；在錨爪穩(wěn)定收靠后，錨機接受反饋信號可自動停車。但是大部分船東考慮成本因素，并未配備帶有錨鏈長度傳感器的自動液壓錨絞機，考慮到手動控制錨機拉錨速度時可能會出現(xiàn)拉錨速度過大或者太小，因此在設(shè)計階段對拉錨速度對船舶拉錨狀態(tài)的影響進行分析是很有必要的。

在船舶詳細設(shè)計階段，分析拉錨速度對船舶拉錨狀態(tài)影響的方法通常有兩種：一是船舶木模拉錨試驗，通過搭建一定縮比的船艏部及錨系部件木質(zhì)模型，對船舶拉錨過程進行模擬。該方法作為傳統(tǒng)拉錨試驗方案，在主流船廠使用度較高，但是對于需要比較不同拉錨速度下的錨系各部件運動狀態(tài)，由于木質(zhì)模型和實際錨系材料在摩擦系數(shù)、材料密度等方面差別較大，以及縮比后主尺度的影響，此方案的準確度不是太高；二是使用三維軟件對船舶拉錨、拋錨過程進行仿真模擬，常用的包括Solidworks、UG 等軟件[1]，三維軟件拉錨仿真相比于木模拉錨試驗優(yōu)勢較為明顯：首先，三維軟件拉錨仿真單次模擬時間約為8～10 h，而木模拉錨試驗單次時間約為10～15 天；其次，木模拉錨試驗無法精確模擬鋼與鋼接觸的動、靜摩擦系數(shù)，無法模擬錨、錨桿及錨鏈的運動狀態(tài)細節(jié)；最后，初次拉錨試驗結(jié)果不理想修改方案后，木模拉錨試驗需要重新制作木模，耗費時間、物料及人力，成本極高。

Solidworks 作為工程領(lǐng)域使用最廣的三維軟件，在其Motion 環(huán)境下通過設(shè)置模型零部件的材料特性、零部件間的接觸特性參數(shù)、零部件上的負載、速度及加速度等特性，可對模型各零部件在設(shè)定條件下的運動狀態(tài)進行仿真分析，并可以輸出各零部件的速度、加速度及負載等數(shù)據(jù)，以便對其運動特性進行圖形化分析[2]。基于Solidworks/Motion 在運動仿真分析方面的特點及優(yōu)勢，本文確定使用Solidworks/Motion 來模擬分析不同拉錨速度下的船舶拉錨狀態(tài)。

2 錨系模型建立

本文以中國船舶集團上海船舶研究設(shè)計院設(shè)計的某型70 000 DWT 木屑船錨系為研究對象，搭建其錨系三維模型并進行動態(tài)仿真分析。考慮到Rhino 軟件在曲面處理方面的能力，錨系模型中需要曲面建模的錨唇、錨臺及船艏部模型在Rhino 軟件中建模后導入Solidworks 生成模型，其他錨系部件模型包括錨、錨桿、錨鏈、錨鏈筒及導鏈滾輪在Solidworks 中建模；錨系各部件模型建立后，根據(jù)錨系布置圖定位尺寸在Solidworks 中完成錨系模型的裝配，如圖1 所示。

圖1 錨系三維裝配模型透視圖

本文拉錨仿真目的，是分析不同拉錨速度下的船舶拉錨狀態(tài)，比較不同拉錨速度下錨系部件的運動特性，為實船拉錨速度提供較為可靠的理論依據(jù)。由于Solidworks/Motion 仿真分析時間受模型零部件數(shù)量及零部件間接觸精度影響較大，設(shè)定合理的錨至錨唇處的普通錨鏈環(huán)數(shù)量，既能觀察拉錨過程中錨系組件的運動狀態(tài)，也能在一定程度上減小仿真時間，提高仿真效率。

2.1 錨及錨鏈三維模型

根據(jù)詳細設(shè)計錨系布置圖等，輸入?yún)?shù)建立錨、錨桿及錨鏈的三維模型并進行模型裝配，如圖2 所示。其中，錨為平衡大抓力錨，錨重為9 225 kg，錨爪與錨桿角度限制為±35°，錨鏈直徑為87 mm。

圖2 錨及錨鏈三維模型

2.2 錨鏈與錨唇

模型中運動部件速度和力的突變會影響仿真的穩(wěn)定性，為保證模型在仿真初始狀態(tài)的穩(wěn)定性，按照常規(guī)設(shè)計方案設(shè)置3 個普通鏈環(huán)與錨唇下口接觸，如圖3 所示。

圖3 錨唇下口處錨鏈狀態(tài)

2.3 導鏈滾輪三維模型

考慮到零部件數(shù)量對仿真速度的影響及導鏈滾輪的轉(zhuǎn)動與否不會對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，為簡化仿真模型，將滾輪轉(zhuǎn)軸固定并與船首及錨鏈筒整合為單個模型；導鏈滾輪后設(shè)置有3 個普通鏈環(huán)，在自由端錨鏈處可設(shè)置速度驅(qū)動及力驅(qū)動以模擬錨機拉錨實際驅(qū)動情況，導鏈滾輪三維模型，如圖4 所示。

圖4 導鏈滾輪三維模型

3 Motion 動態(tài)拉錨仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

固定船首模型，裝配體中可運動零部件包括錨爪、錨桿及錨鏈，將可運動零部件調(diào)整至仿真初始狀態(tài)；設(shè)置模型裝配體各零部件材料屬性；設(shè)置裝配體零部件間的實體接觸為鋼與鋼的接觸，包括錨臺錨唇與錨鏈、錨桿及錨的三維實體接觸、普通錨鏈與錨桿卸扣的三維實體接觸、普通錨鏈之間的三維實體接觸及導鏈滾輪與普通錨鏈間的三維實體接觸；設(shè)置模型裝配體重力加速度值及方向；設(shè)置模型驅(qū)動力，為準確模擬船舶拉錨的實際施力情況，本仿真采用速度控制結(jié)合力控制的驅(qū)動方式[3]，在錨爪貼合錨唇之前使用恒定速度的線性馬達驅(qū)動錨鏈自由端，為減小仿真時間，在錨桿進入錨鏈筒之前，線性馬達速度設(shè)定相對較大為15 m/min，在錨桿進入錨鏈筒后線性馬達速度設(shè)定為錨機正常工作速度12 m/min，線性馬達速度設(shè)置如圖5 所示；在錨爪開始接觸錨唇后，在尾端錨鏈處施加恒定拉力，此時拉力通常約為2 倍錨重，此種仿真條件設(shè)置可準確模擬拉錨過程各零部件中的負載情況。

圖5 線性馬達速度設(shè)置

然后，在Solidworks-Motion 模塊-運動算例屬性-Motion 分析中，設(shè)置裝配體模型三維接觸精度；為了獲得較為準確的仿真結(jié)果，三維接觸精度設(shè)置不宜太低，在運動算例屬性-高級選項中設(shè)置Motion 動態(tài)仿真積分器的參數(shù)，最后設(shè)置模型仿真總時間。

3.2 仿真結(jié)果分析

1）拉錨速度12 m/min 仿真分析

輸出拉錨速度為12 m/min 的拉錨仿真結(jié)果，為清楚觀察錨及錨鏈在整個拉錨過程中的運動狀態(tài)，設(shè)置艏部模型為透明且將不同時間下的錨及錨鏈運動狀態(tài)組合，如圖6 所示。

圖6 12 m/min 拉錨試驗仿真結(jié)果

由圖6 可知：在錨桿進入錨鏈筒之前，拉錨速度為15 m/min，錨鏈可平穩(wěn)的通過錨唇進入錨鏈筒；在12 m/min 的拉錨速度下，錨桿可平穩(wěn)的進入錨鏈筒，錨桿端部沒有碰撞錨鏈筒內(nèi)壁；錨爪靠近錨唇后會沿錨唇端面向上滑移，直至錨爪對稱兩點及錨冠一點共三點與錨唇緊密貼合，達到理想的收靠狀態(tài)。

為分析拉錨速度過大或太小時錨爪、錨桿及錨鏈的運動軌跡，將錨桿進入錨鏈筒后錨爪貼合錨唇前的拉錨速度分別設(shè)置為6 m/min 及18 m/min，并進行仿真分析以確定其影響。

2）拉錨速度6 m/min 仿真分析

改變線性馬達設(shè)置參數(shù)：在錨桿進入錨鏈筒之前，線性馬達速度為15 m/min；在錨桿進入錨鏈筒后，線性馬達速度設(shè)定為6 m/min，如圖7 所示。

圖7 線性馬達速度設(shè)置

輸出拉錨速度為6 m/min 的拉錨仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖8 6 m/min 拉錨試驗仿真結(jié)果

由圖8 可知：在錨桿進入錨鏈筒之前，拉錨速度為15 m/min，錨在上升過程中有扭轉(zhuǎn)動作，錨鏈可平穩(wěn)的通過錨唇進入錨鏈筒；錨桿可平穩(wěn)的進入錨鏈筒，錨桿端部沒有碰撞錨鏈筒內(nèi)壁；錨爪靠近錨唇后會沿錨唇端面向上滑移，直至錨上部錨爪對稱兩點及錨下部錨冠一點共三點與錨唇緊密貼合，達到理想的收靠狀態(tài)。

3）拉錨速度18 m/min 仿真分析

改變線性馬達設(shè)置參數(shù)：在錨桿進入錨鏈筒之前，線性馬達速度為15 m/min；在錨桿進入錨鏈筒后，線性馬達速度設(shè)定為18 m/min，如圖9 所示。

圖9 線性馬達速度設(shè)置

輸出拉錨速度為18 m/min 的拉錨仿真結(jié)果，如圖10 所示。

圖10 18 m/min 拉錨試驗仿真結(jié)果

由圖10 可知：在錨桿進入錨鏈筒之前，拉錨速度為15 m/min，錨在上升過程中有扭轉(zhuǎn)動作，錨鏈可平穩(wěn)的通過錨唇進入錨鏈筒；在錨桿進入錨鏈筒的過程中，拉錨速度為18 m/min，此過程中錨桿末端卸扣與錨鏈筒上內(nèi)壁發(fā)生碰撞，如圖11 所示；錨爪靠近錨唇后會沿錨唇端面向上滑移，直至錨上部錨爪對稱兩點及錨下部錨冠一點共三點與錨唇緊密貼合，達到理想的收靠狀態(tài)。

圖11 錨桿末端卸扣與錨鏈筒上內(nèi)壁碰撞

由不同拉錨速度下拉錨仿真結(jié)果可知：過大的拉錨速度，會導致錨桿末端卸扣與錨鏈筒內(nèi)壁多次碰撞。考慮到錨鏈筒上部通常做的比下部薄，這種碰撞會對錨鏈筒強度產(chǎn)生較大的沖擊損傷，需要盡量避免。

4 結(jié)語

本文以某70 000 DWT 木屑船錨系為研究對象，通過基于Solidworks/Motion 的動態(tài)拉錨仿真，分析了不同拉錨速度下錨爪、錨桿及錨鏈的運動軌跡。仿真結(jié)果表明：過大的拉錨速度會導致錨桿末端卸扣與錨鏈筒內(nèi)壁多次碰撞，這種碰撞會對錨鏈筒強度產(chǎn)生沖擊損傷；小于規(guī)范要求的平均拉錨速度拉錨對錨爪、錨桿及錨鏈的運動狀態(tài)影響不大，仿真結(jié)果為實際拉錨操作提供了重要指導。為進一步分析船舶拉錨過程中的影響因素，下一步仿真工作將圍繞風、浪、流等因素對拉錨運動狀態(tài)的影響展開。