大型船舶退抛法抛锚作业运动仿真研究∗

2018-11-26于汇源

舰船电子工程 2018年11期

于汇源蔡烽

（海军大连舰艇学院大连 116018）

1 引言

锚泊方式中最常使用的方式，主要有退抛法和进抛法两种。多数大型船舶都采用退抛法，因为进抛法船舶余速稍高即可能出现锚链在锚机链轮上的跳动现象，或存在损坏锚机刹车拉断锚链的危险。但是，无论是退抛法还是进抛法，均需要严格控制抛锚时船舶余速。文献［1～5］均指出大型船舶锚泊时抛锚余速（对地速度）控制在0.5kn是安全可控的，但是都没有给出具体的理论分析。任宇晓等［6］采用耦合的欧拉-拉格朗日方法（CEL）建立了拖锚过程的计算分析模型，得到了锚姿态随拖锚距离的变化关系；闫澎旺等［7］在砂土中进行了拖锚实验，研究了锚的姿态、运动轨迹和锚抓力的变化规律，确定了霍尔锚在砂土中的抓力系数。但都仅仅是研究了锚的抓底姿态，并没有将船舶抛锚的余速结合起来。本论文尝试将大型船舶的抛锚余速与锚链力之间建立过程，得到关于水深、船舶余速、锚与锚链对船舶的牵制力以及船舶对锚链的拉力之间的关系。

2 悬链线理论

悬链线是指一种具有均质、完全柔性而无延伸的链或索自由悬挂于两点时所形成的曲线。尽管由于锚链本身的拉伸和受到海流力的作用，与理论上的悬链线并不完全吻合，但是实际工程中仍常用悬链线来描述锚链的特性，忽略其动力效应（海流和波浪）以及弹性形变等影响，只考虑锚链的静态效应。

锚链孔至海底高度H，大型船舶所受水平外力为F，每节锚链在水中重量为W，锚链悬垂线长度为L，锚链在锚链孔处的张力为Ts，坐标原点O取在锚链与海底相切处，各参数之间存在如下的关系［8］：

从式（3）可以得出锚链孔处锚链张力等于船舶所受水平外力F加上锚链孔高度这一段锚链重量WH。

3 抛锚作业时受力分析

抛锚作业时受力分析研究的是锚即将被拽出底土锚链处于短链时的临界状态，而此时整个系统所受的力可以划分为锚与锚链对大型船舶产生的牵制力和大型船舶对锚与锚链的拉力。

3.1 锚与锚链的牵制力

锚与锚链的牵制力由两部分组成，一是锚抓力，二是锚链产生的牵制力。

锚抓力FM可由锚抓力公式得到：

锚链对大型船舶的牵制力由悬链线式（2）求出：

式（6）可以得出锚与锚链对大型船舶的牵制力是锚和锚链各自作用力之和。

3.2 船舶对锚的拉力

由式（3）可知上式表示锚链孔处锚链张力等于船舶水平外力T下加上锚链孔高度这一段锚链的重量WH。

文献［9］通过船模实验确定了倒车横向力，大型船舶的水平外力T即为倒车横向力和受到的阻力R应该是相互平衡的：

式中：V为船舶余速；C为船舶总阻力系数；ρ为水密度；S为船体湿表面积。其中船舶总阻力系数C与多种因素有关，主要包括船体线型、排水量、污底程度及海况等。C可以用下式求出：

式中：Cf为摩擦阻力系数，可根据Guldhammer和Harvald图谱估算［11］；Cr为剩余阻力系数，可根据ITTC-1957年船模——实船相关曲线计算；ΔCAR为粗糙度补贴系数，可通过文献［12］查表获得。

由上述分析可得大型船舶对锚链的拉力为

4 仿真实验

4.1 仿真条件

当大型船舶后退速度过大时，大型船舶对锚的拉力大于锚与锚链整体的拖拽力，锚就会被拽出海底，造成整个抛锚作业失败。本文以某大型船舶为研究对象，锚重6t，锚型为霍尔锚，其锚抓力系数如表1。

表1 霍尔锚锚抓力系数

锚抓力系数本文取2倍水深和2.5倍水深的中间值1.38。单位长度（节）锚链重量120kg，根据抛出锚链长度的不同，对50m～70m水深内不同长度的抛出锚链可承受的最大余速进行计算仿真。大型船舶抛锚作业的过程中，余速应控制在2kn以下，因此在研究余速与大型船舶对锚链之间的关系时，横坐标余速最大为2kn。以下是分别抛出3、4、5、6节锚链，对上述问题的仿真结果。