基于Rhino的小型工程船锚链筒、锚穴三维设计

吕波

摘 要：小型工程船舶由于其经常性地停靠码头或其他船舶，通常会安装锚穴，将锚收存在船体以内。而锚链筒、锚穴的设计是一个复杂的三维变化问题，传统的利用木模拉锚实验来确定其最终位置的设计方法非常繁琐，采用Rhino三维软件辅助设计小型工程船舶的锚链筒、锚穴，能够大大缩短设计周期，节省设计成本。

关键词：锚链筒；锚穴；三维设计

中圖分类号：U674.3 文献标识码：A

Abstract：Small engineering vessels often dock at wharf or to other ships and are usually equipped with anchor recesses to store anchors within the hull. However， the design of hawser pipe and anchor recess is a complex three dimensional case， traditional design method which determines the final location by wooden anchoring model test is very complicated. This paper introduces the design of small engineering vessels hawser pipe and anchor recess with the 3D software Rhino and it is easy， accurate， shortens the design cycle and saves the design cost.

Key Words：Hawse pipe；Anchor recess；3D design

1 前言

锚链筒、锚穴是船舶锚系统的重要组成部分，是锚的收存装置。其中锚链筒位于甲板和锚穴之间，用于锚干的收存；锚穴位于锚链筒下出口和外板之间，用于锚爪、锚臂、锚冠等的收存。

船舶首锚的锚链筒一般设于首部的两舷处，其上端出口一般位于主甲板或首楼甲板上，下端出口一般位于首部的外板处，对于设有锚穴的船舶，锚链筒下出口位于锚穴顶板上。锚链筒的形式和结构与船型、锚机、掣链器的形式等有着密切关系。通常按照锚链筒与水平面的夹角大小可以分为陡峭式和平斜式两种，其中陡峭式锚链筒在起锚的过程中更容易将锚拉进锚链筒，因而应用更加广泛。

锚穴又称锚龛，是位于船舶首部两舷外板上的用于收存锚的龛状结构。对于客船、油船、港口船、拖轮、供应船及渔船等船型，由于其经常用首部停靠码头或其他船舶，此时突出于船外的锚容易造成码头或其他船舶的损坏，因此这些类型的船舶通常设置锚穴，将锚收存在船体以内。对于高速船来说，采用锚穴后，除了可以对锚起到保护作用外，还能减少波浪对锚的冲击而产生的浪花，进而缓解因此引起的航行阻力的增加。另外，设置锚穴对船舶外形的美观性也有一定的作用。根据其形状和结构特点，锚穴可分为明式、暗式、马蹄形、伞形等几种，其中明式锚穴可以看到整个锚爪，而暗式锚穴只能看到锚冠的端面。

2 锚链筒锚穴设计

2.1 锚链筒

锚链筒一般由筒身、甲板锚链筒口和舷侧锚链筒口组成，其位置的确定是锚泊系统设计中的关键。通常，锚链筒位置的设计应满足以下条件：

（1）抛、起锚的过程应顺畅，即锚能够依靠其自重无阻碍地从锚链筒抛出，也能在船舶向任一侧横倾5°范围内的起锚过程中不卡住首柱或船体并且无阻碍地进入锚链筒；

（2）被拉进锚链筒的锚，其锚爪应贴紧外板或锚穴后板，锚冠贴紧锚唇；

（3）锚链筒的长度应能足以收存锚柄，并使锚链转环位于导链滚轮之前；

（4）甲板和舷侧的锚唇在锚链通过处应设有足够大的圆弧，以减小应力；

（5）锚链筒下出口中心位置不应使锚链筒穿过两层甲板。

锚链筒上、下出口的位置确定了锚链筒的位置。上口位置一般根据锚机的参数、掣链器的位置和尺寸以及甲板布置情况等决定；而下出口位置的确定相对复杂。假设侧视图中锚链筒中心线与铅垂线的夹角为α，平面图中锚链筒中心线与船体中心线的夹角为β。

根据经验，α取值一般在35°～45°范围内为宜，α值小则抛、起锚操作方便，但锚链筒会相对较长，这一点对于空间紧凑且设有锚穴的小型工程船（如拖轮、小型工作船等）较为重要；但α太小会造成锚链筒下口较低，对于有球鼻首的船舶来说，抛、起锚时锚容易距离球鼻首过近。β 值一般在5°～15°为宜，对于有球鼻首的船舶一般到20°～25°。对于设有锚穴的船舶来说，选取α和β值时应尽量保证锚链筒中心线垂直于锚链筒下出口所在高度处的水线，这样有利于顺利地抛、起锚。

锚链筒的内径D可按式（1）或（2）确定：

2.2 锚穴

锚穴的尺寸和大小应根据具体选用锚的规格来确定，锚在锚穴中应有足够的活动空间，在各方向上留有10%～20%的富裕度为宜。另外一个重要的参数是锚链筒中心线和锚穴底板的夹角，为保证锚与锚穴底板的贴合度，该夹角应稍大于锚的最大张角，以5°～10°为宜。

3 Rhino在小型工程船锚链筒锚穴设计中的应用

在传统的锚链筒和锚穴设计过程中，设计者往往是根据自身的经验，初步设计出锚链筒和锚穴的位置、形状和尺寸，再制作木模进行拉锚实验，并根据实验结果对初步设计的方案进行修改，这样经过多次实验和方案调整，最终得到满足要求的设计方案。在此过程中，每次方案的修改都需要重新制作木模，重新进行拉锚实验，造成人力、物力和时间的浪费。不难发现，传统锚链筒锚穴设计难度大，是由于传统的设计均采用二维的图纸设计，很难同时在三个方向上控制锚链筒锚穴的变化，也不利于直观地观察锚链筒、锚穴参数的变化所带来的效果。随着三维设计软件的广泛运用，空间位置复杂的锚链筒、锚穴的设计也可以变得更加直观和准确。

Rhino是美国Robert McNeel & Assoc公司推出的一款基于NURBS曲线的三维造型软件，其操作非常简单，操作过程和习惯与AutoCAD十分相似，而且其NURBS曲面适合船體外壳的建模，因此，运用Rhino来辅助设计船舶的锚链筒、锚穴显得很合适。本文将以一艘38 m多用途工作船为例，来说明Rhino在小型工程船锚链筒、锚穴设计过程中的应用。

按照规范，计算出舾装数后，选取合适类型和规格的锚和锚链，并初步确定锚链筒的长度和直径。对于38 m多用途工作船，选用780 kg短干霍尔锚，锚链筒直径定为14 in。然后，在Rhino中导入该船首部肋骨型线和必要的特征线，建立首部三维模型，并根据锚机参数、掣链器布置等确定锚链筒在甲板处的上口位置。为了保证锚与锚链筒锚穴的贴合度，单独建立锚链筒和锚穴的模型，并将所选取锚的三维模型插入其中，校核三者的贴合状态，并不断调整锚链筒与锚穴底板的夹角，使锚与锚穴达到最佳的贴合状态，如图1所示。

此时，可以将达到满意贴合状态的锚、锚链筒、锚穴作为一个整体，即保持三者的相对位置不变，以锚链筒上口为基准点，将其移动至建好的首部船体模型之中。不断调整锚穴相对船体外板的位置，以及锚链筒的α和β角，使锚穴在一个合适的位置连接到外板上，满足顺畅抛、起锚的要求，并保证锚链筒有足够的长度。将调整到合适位置的锚链筒锚穴与船体外板面进行剪切、延伸等操作，最终得到完整的锚链筒、锚穴模型，并对需要的连接位置进行圆角处理，如图2所示。

采用此方法，不仅使锚链筒、锚穴的设计更加直观化，而且从三维模型中可以直接截出锚穴和船体在任何方向的精确剖视图的轮廓，在此基础上能够更方便地完善详细的结构图纸，如图3所示。当然，也可以直接在模型中建立出锚穴周围的结构，直接在模型中优化此处的结构布置，防止后期放样过程中出现难以施工等问题。

4 结语

Rhino软件可以简化船舶锚链筒锚穴的设计步骤，而且在设计过程中便于修改，减轻了设计者的工作强度，提高了设计效率。结合Rhino的辅助设计，可以直观地观察到锚链筒和锚穴的贴合度，提高了设计的精度，为后期的拉锚实验和木模制作提供了更为有效的依据，节省了后期设计、施工的时间和成本。如果设计者经验足够丰富，或者结合抛、起锚的计算机三维仿真实验，甚至可以省去后期的拉锚实验。

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