8000HP海洋救助拖船锚穴设计与三维模拟

吴镇波 阳俊 李艳钦

摘    要：本文介绍了8000HP海洋救助拖船的锚穴设计，运用Rhino三维软件仿真模拟，分析拉锚过程的不利因素与控制要点，为实船拉锚试验提供一种前期预判的方法。

关键词：锚穴;锚爪;大抓力锚

中图分类号：U671.91                            文献标识码：A

Abstract： Anchoring operation is one of the components of ship safety， and the key influencing factor is the design of anchor recess. This paper introduces the design of anchor recess of 8 000 HP tug， analyzes the disadvantages and control points of anchor pulling process by simulation with the Rhino 3D software during anchor pulling trial， so as to provide a method of early prediction for actual ship anchor pulling test.

Key words： Anchor recess; Anchor fluke; High holding power anchor

1    锚的选配

某8 000 HP海洋救助拖船，航行于我国近海航区，具备救助拖带、应急抢修、消防灭火、淡水供应等多项功能。该船总长65 m、型宽15 m、型深7.0 m、设计吃水5.5 m。根据《国内航行海船建造规范》对该船舾装数进行计算，舾装数取值范围为720～780，应配无杆首锚2只、每只质量2 280 kg。

AC-14大抓力平衡锚是民用货船和工程船常规选用的大抓力锚型式之一，它具有性能优良、抓力大、能适应各种泥沙底质、稳定性好等特点。其锚折角为35°，锚头和锚柄为铸钢件，锚卸扣为铸钢件或锻钢件，小轴、横销和封头为锻钢件。根据《国内航行海船建造规范》的要求，选用大抓力锚时每只锚的质量可为普通无杆锚质量的75%，故本船选取2只1710kg的AC-14大抓力平衡锚作为首锚。

2    锚穴的设计

一般情况下，在绘制船舶总布置图时会依据首部舱室和甲板的具体情况对锚泊设备的布置形式与位置进行初步确定。此时，起锚机的形式和锚的收放方式也已初步确定。在进行具体的锚穴设计时，需根据总布置图、型线图、起锚机、掣链器等图纸对锚泊设备进行重新设计。其中，锚链筒、 锚穴是锚泊设备的重要组成部分，锚链筒与锚穴位置的确定是锚泊设备布置的关键，需要经过不断调整直至接近最佳位置。

2.1  锚链筒设计的原则

理想的锚泊设备布置，是锚机链轮与锚链筒的中心线在水平面的投影保持在同一直线上，且锚链筒在水平面的投影线垂直于锚链筒出口处的水线。这样可大大简化锚链筒的设计，有利于锚的收放，同时使锚的抛落点最大远离船体外板。在大型船舶或首部甲板宽度较大的船舶上比较容易做到这点，但在小型船舶和瘦小型的甲板上则较为困难。

为了满足上述要求，锚链筒相对于水平面和舯纵剖面的角度选取非常重要。假设相对于水平面的角度为α、相对于舯纵剖面的角度为β，通常根据经验选取α和β值在下列范围内较为适宜：

（1）α值：一般在45?～55?范围内。α值大，收抛锚方便，且锚链筒较长便于容纳锚杆;但往往会造成舷侧锚链筒开口过低、抛锚时容易碰触船体外板，所以对于某些船首甲板宽度较窄或采用暗式锚穴的船舶，其α值可以适当加大;

（2）β值：一般在5?～15?范围内。有球鼻首的船型可取20?～25?，但一般不大于45?;对于船首甲板寬度较窄的小型船舶，β值可以适当加大。

2.2 锚链筒设计的基本要求

（1）当船舶横倾5?时，拉锚不会碰及首柱和船底外板，同时避免因接触船体外板而产生卡锚现象;

（2）锚在拖进锚链筒后，锚爪能贴紧锚穴顶板、锚冠贴紧锚唇，且不产生晃动;

（3）锚能依靠自身的质量，毫无阻碍地从锚穴中抛出;

（4）锚链筒具有足够的长度容纳全部锚柄;

（5）锚唇在锚链通过部分有足够大的圆弧，使锚链受到的弯曲应力最小;

（6）被拖进锚链筒中的锚，在航行时不会没入水中或掀起浪花，以免增加船舶阻力。

2.3   锚链筒、锚穴的初步布置

根据总布置图、型线图、起锚机、掣链器等资料进行放样布置。因首楼甲板较为紧凑和受线型、锚链舱的影响，为了使锚机链轮与锚链筒保持一条直线，则锚链管将无法布置在锚链舱中心，从而将锚链管中心定在FR90～FR165、距中1 268 mm;掣链器定在FR91～FR92;锚链筒中心线相对于水平面的夹角α取80?、相对于舯纵剖面的夹角β取30?、锚链筒与锚穴顶板的夹角为45?。如图1和图2所示。

锚的收拉过程（见图2）：锚处于船底位置I时，锚向船体外板横倾5?后，仍然距离船体外板约590mm的距离;随着锚的提升，当锚到达位置Ⅱ时，锚柄被拉入锚穴，锚爪在自重作用下保持垂直向上，锚将被整个拉入锚穴中;然后，当锚爪接触到锚穴顶板时（即位置Ⅲ），锚爪与锚穴顶板接触点A的法线N和锚爪对称面的夹角ξ为35?。参照《船舶设计实用手册-舾装分册》中关于霍尔锚的摩擦角ρ=15?，ξ比摩擦角ρ大了20?，初步预判锚爪接触锚穴顶板后向上滑动，锚爪最终贴紧锚穴顶板，完成整个收锚过程。

3    锚穴的三维放样

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，通过制作一定比例的木模进行拉锚实验，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，造成人力、物力和时间的浪费。而通过三维软件进行模拟设计，设计者可通过三维模型观察锚链筒、锚穴与船体结构贴合程度，通过三维放样直接导出锚穴任意视图的轮廓尺寸，减少二次修改的次数与工作量，节省后期设计的时间与建造成本。

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。该软件操作便捷，而且其NURBS曲面适合船体外壳的建模，因此可通过该软件来进行锚穴的模拟和放样设计。

（1）首先，创建首部船体结构（包含船体外板及相关内部舱壁）、AC-14大抓力平衡锚、锚链筒和锚穴等三维模型。其中，船体结构模型、AC-14大抓力平衡锚为已知的定尺寸模型，可直接按尺寸建立三维模型;而锚链筒、锚穴的布置位置与设计尺寸则由设计者进行优化确定。本船锚链筒的直径取426 mm，锚穴宽度与进深的尺寸均比锚的外型尺寸大200 mm以上。在建立模型的过程中，注意观察锚穴外围板与船体结构的匹配度，以及外观造型是否美观、内部构件空间是否满足施工要求等。

（2）其次，通过三维模型分析拉锚过程的几个状态：

① 锚在位置I（图3）时，将锚模型向船体倾斜5?，在锚冠处制作一个半径500 mm的圆球模型。通过观察，圆球模型的外轮廓几乎与船体外板贴合，从而预判锚在横倾5?后锚冠与船体外板的距离约500 mm;

② 锚在上升过程中到达位置Ⅱ（图4）时，在转环的作用下锚将沿着锚柄做360?的无规则旋转。通过模型观察锚与船体外板接触的过程如下：

·锚柄宽端与锚穴下端板接触，锚爪在自重的作用下保持垂直向上（图4）;

·锚柄窄端与锚穴下端板接触，此时锚爪将点接触船体外板，此状态为非稳定状态，锚爪瞬即发生旋转切变到上面状态（图5），从而预判锚接触锚穴下端板时不发生卡锚现象;

③ 锚越过位置Ⅱ，当锚冠触碰锚穴下缘后，将使锚爪产生向锚穴内侧翻转的力矩，从而转入到锚穴内部，然后锚爪触碰锚穴顶板（图6）;

④ 锚柄最后完全被拉入锚链筒中，锚爪紧贴锚穴顶板，到达位置Ⅲ（图7、图8），完成整个收锚过程。

4    拉锚验证

通过拉锚验证，锚的收放过程顺畅，不发生卡锚现象。锚在收拉过程中，在锚链拉力和自重的作用下，将产生向船后倾斜小段距离，因锚穴留有一定的裕度空間，所以并未产生卡锚现象。

5    结论

本文通过8 000 HP海洋救助拖船锚穴的设计过程，利用Rhino软件进行三维立体模拟，能够给予设计人员直观正确的判断，提高设计人员的工作效率，降低图纸设计的失误率;同时，降低锚穴制作的现场施工量与建造成本。

船舶收拉锚是一个动态、复杂的过程，对船舶的锚泊作业起到关键性作用，而拉锚的成功与否取决于锚穴的设计。锚穴设计是一个不断调整、优化的过程，如要求锚穴设计能一步就位是极其困难的，因为影响锚穴设计的因素很多，其中夹角α和β的选择是关键。通过Rhino软件的仿真模拟，可以提前预判拉锚过程可能出现的不良情况，尽量避免发生卡锚的现象。

参考文献

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[2]毕伟光.33m拖船锚穴的设计与制作[J].江苏船舶.2007.24（2）.

[3]孙大虎， 孙华伟. 12500DWT多用途船锚系布置方案的设计[J].船舶      设计通讯2017（增刊2）.