锚唇受力分析

2019-07-03

船海工程 2019年3期

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

锚唇是位于锚链筒外板出口处，承受锚与锚链的碰撞力和摩擦并使锚稳定贴合于收藏位置的似椭圆形环状结构[1]。锚唇为锚的收纳提供贴合面，不直接承受锚重，但会承受锚的撞击。锚唇作为锚链的通道，直接承受锚链的压迫和摩擦。锚唇受力取决于锚和锚链的运动情况。以艏锚为例，当船舶处于锚泊状态时，锚泊力使船舶达到平衡状态，在风浪的作用下，锚链会弹跳撞击锚唇。抛锚和收锚时，锚链和锚由于自重下落，对锚唇形成压力和摩擦。航行中，锚受风浪作用，并撞击锚唇。在极端状态下，锚链断裂，或对锚唇有一定的冲击。锚和锚链运动的不确定性，增加了锚唇受力分析的难度。锚唇的强度分析需要了解确定的锚唇受力。已有研究对对锚泊状态时锚唇进行受力分析，利用锚链破断力，推导出锚唇所受正压力的计算公式，并估算锚唇受力极值为锚链破断力的50%[2]。该方法受限于锚泊状态，所以，一般引用锚链破断力作为评估锚唇受力的直接因素。本文综合锚泊、抛锚和收锚、锚存、断链等实际情况，对锚唇受力进行详细分析。

1 锚泊状态锚唇受力

图1 锚链悬垂状态受力

不走锚时，H0与H相当，由此导出A点的锚链张力为

(1)

式中：w为锚链在海水中的单位长度质量负荷；y为抛锚深度。

H0包含锚的水平抓力及卧底锚链作用力[3]：

H0=Ha+Hc=λaWa+μcwlc

(2)

式中：λa为锚在抓力系数；Wa为锚在海水中的质量负荷；μc为卧底锚链的摩擦系数；w为锚链在海水中的单位长度质量负荷；lc为卧底锚链长度。

由于锚和锚链在海水中的质量负荷为其在空气中质量负荷的87%，假定锚自身重力为G，锚链单位长度的自身重力c，A点锚链张力为

T=0.87(λaG+μcclc+cy)

(3)

锚链张力由锚抓力、卧底锚链作用力和悬垂锚链作用力组成。

抛锚完毕后，掣链器拉紧锚链，锚链获得最佳定位角度，以保证锚泊力完全传递给船舶，减少损耗。在船舶设计时，锚链与掣链器链轮相切，该切线与锚链筒中心线保持一致，锚链由于柔性特点将不会发生较大偏转。以锚唇为界，锚链被分为上部锚链和下部锚链，上部锚链沿锚链筒中心线处于张紧状态，下部锚链处于悬链状态，锚链张力T与上述A点锚链张力一致。假定锚链筒中心线与水平之间的夹角为α，锚唇处锚链切线的水平角度为θ，上、下部锚链在锚唇处夹角为β(β=180°-(θ-α))，见图2，则锚唇受力为

(4)

锚唇受力和锚链张力与(θ-α)相关，其中，可将(θ-α)看做锚链在锚唇处的偏转角度。

“法制”与“法治”有着区别和联系。一方面，“法制”是指法律制度的综合，是中性的和静态的，其作为一种国家统治工具，既可能出现在“人治”社会，也可能出现在“法治”社会。“法治”是指立法、执法、司法、守法、普法等各个环节的有机统一，是褒义的和动态的，表征一个社会的法律治理。另一方面，“法制”是“法治”的基础。有了相对完备的法律制度才能更好地实现法律治理。相应的，从“法制教育”转变为“法治教育”，意味着我国的普法教育要从知识层面提升到理念、文化和信仰层面。特别是在农村这样的熟人社会特点犹存、遗风陋俗仍然存在和人口法律素养相对落后的地区，要实现乡村的振兴，该理念的转变就显得更为重要。

图2 锚泊状态锚唇受力示意

当θ<α时，锚链作用力F为负值，锚链会向锚唇上部靠近，船舶相对水平移动，此时需要增加锚链长度或改变上述偏转角度，重新建立平衡。

当θ>α时，锚链合力F为正值，下部锚唇将受到压迫。在锚泊设计中，α一般在30°～60°范围内，根据实际锚泊状态，参照卧底锚链长度计算方法可知θ一般在20°～60°之间[4-5]。

2 抛锚和收锚状态锚唇受力

2.1 抛锚过程中锚链张力

抛锚过程分为3个阶段:①锚入水之前，锚链和锚匀速垂直下落，锚链张力由锚重力和锚链长度重力组成;②锚入水但未达海底面之前，入水锚链长度不断增加，锚和锚链受海水浮力作用，锚链张力为抛锚深度上锚和锚链的负荷组成。随着水深的增加，该阶段锚链张力最终将大于第一阶段锚链张力;③锚接触底质后，锚水平抓力不断增大以抵消外界环境力，锚链长度继续增大，最终状态趋同于锚泊状态，锚链张力达到最大。

第三阶段可借助于锚泊状态获得最大锚链张力。此前阶段锚链张力可视为抛锚深度上锚的质量负荷和锚链的质量负荷之和，即

T=0.87(G+cy)

(5)

2.2 收锚过程中锚链张力

收锚同样分为3个阶段：①锚链被锚机不断收起，锚离开底质之前，锚链由锚泊状态的悬链状态变为拉直状态，锚链张力迅速减小为抛锚深度的锚链负荷；②起锚到锚被拉出水面，此阶段锚自身特点被锚链拉离底质，锚链张力瞬间增大，此后随着锚链被进一步收起，锚链张力有所变小；③锚被拉出水面并逐渐被固定在储藏位置，锚链张力由锚的质量负荷和锚链的质量负荷组成。收锚过程几乎是与抛锚的逆过程，锚链张力的变化及判定参见式(5)。

2.3 抛锚和收锚状态锚唇受力

不同于锚泊状态，抛锚和收锚过程中由于锚链和锚的自重作用，锚链锚链在通过锚唇后向下处于垂直状态，与锚链筒内张紧的锚链形成固定夹角，从而对下部锚唇造成压迫。为求简化，仍假设锚链筒内张紧的锚链沿着锚链筒中心，锚唇受力状态见图3。锚链张力T见式(6)，锚唇受力为

(6)

锚唇受力取决于锚链张力和锚链筒中心线的水平夹角α。

图3 抛锚和收锚状态锚唇受力示意

3 其他状态锚唇受力

3.1 锚存状态锚唇受力

船舶航行时，锚处于收纳状态，锚顶部通过锚链被止链器闸刀卡住，锚用擎锚索锁紧。大风浪中，海浪对船体的撞击会使船舶产生抖动，并使锚产生一定的动量，极易造成锚的松脱。如果锚与锚唇没有紧密贴合，锚被海浪托起，锚沿着锚链筒向上运动，并以一定加速度撞向锚唇。

如图4所示,假定锚以加速度a沿锚链筒向上运动并撞击锚唇，其重力为G，撞击力F为

(7)

图4 锚运动时锚唇受力示意

锚唇所受撞击力与锚自身质量和加速度相关。

假设锚于锚唇紧密贴合，两者相对距离为0.1 m，锚相对于锚唇的速度为0。在海浪作用下，锚在0.3 s内完成对锚唇的撞击，此时的加速度相当于重力加速度的20%。

当锚被收纳拉紧瞬间，并完全贴合于锚唇表面，锚由运动改为静止，对锚唇也有一定的撞击作用。抛锚时，打开擎锚索瞬间，锚由于自重向下运动，锚杆对锚唇产生一定的撞击。上述操作一般借助机械控制，较为平缓，锚和锚杆的加速度将不会大于波浪中锚的加速度。

3.2 极端状态锚唇受力

当环境力发生突变，锚泊力跟随增大，锚链张力发生剧增，或可引起锚链断裂。起锚一旦发生卡锚和锚被缠绕的现象，如若强行拉锚，易造成锚链断裂、锚机受损等事故，应当极力避免。

锚链张力大于锚链破断力时，锚链会发生断裂，属于极端状态。从船舶实际运营情况看，锚链断裂一般位于其薄弱处，或腐蚀严重，或锚链裂痕，或插销断裂，锚链张力远未达到锚链破断力。根据止链器的制造说明，止链器的支持负载应与试验负荷相当，为锚链破断力的80%。即使新锚链发生断裂，锚链张力也不会超过锚链破断力。

对于锚唇，如果锚链在锚唇接触部位或者附近断裂，那么在断裂前的一瞬间对锚唇的作用力将达到极值。极端状态下，锚尚未离开底质，锚链被拉直或接近垂直状态，锚唇受力情况见图5。

图5 极端状态锚唇受力示意

此状态与锚泊状态类似，锚唇受力为

(8)

式中：P为锚链破断力；(θ-α)为锚链偏转角度，其中θ一般大于60°。

4 锚唇受力极值

锚的重力、锚链长度、锚链重力、锚链破断力和锚的加速度都会影响锚唇受力。为了确定锚唇受力极值，为锚唇的强度分析提供数据依据，需要根据每条船的实际情况进行分析。为简化过程，选取几型船舶进行分析，艏锚质量与锚链规格及长度通常按照船级社规范要求选取，见表1。

表1 船型基本参数

借鉴大型船舶锚泊经验及以往计算研究[6-8]，假定锚抓力系数为8，抛锚深度为100 m，卧底锚链长度为6～10节，卧底锚链摩擦系数为0.75。各种状态下锚唇受力数据见表2。

由表2可见，正常锚泊时锚链张力较大，锚链在锚唇处的偏转角度较小，锚唇受力大小仅为锚链张力的17%左右。抛锚和收锚时，锚链处于垂直状态，锚唇受力大小将达到锚链张力的70%～80%，但此时锚链张力仅为锚泊状态锚链张力的20%，锚唇受力相对前者较小。当锚以一定加速度撞击锚唇，撞击力可与抛锚时锚唇受力相当，甚至更大。极限状态下，锚唇受力大小约为锚链张力的40%～50%，个别将达到60%，假定此时锚链张力为锚链破断力的80%，那么锚唇受力将达到锚链破断力的50%。