极地破冰船锚系交互设计技术的拉锚动力学仿真

赵振华 ， 陶冬明 ， 林桂霖 ， 刘志强

(1.江南造船(集团)有限责任公司， 上海201913； 2.江苏科技大学， 江苏 镇江212003)

0 引 言

锚系作为船舶系泊和安全航行的关键装置，一直是船舶设计方、建造方、船舶所有人及船级社比较重视的项目。新一代极地破冰船兼具了绿色环保与高结构强度要求，具备艏艉双向冲撞破冰和动力定位能力。锚系设备是船舶控制不可或缺的甲板机械装置，其设计的优劣直接影响船舶的安全。

新一代极地破冰船无限航区的性能要求导致其锚泊和定位系统的设计标准相应提高。由于锚装置的设计是空间几何曲面和多动态力(接触碰撞力、锚绞机拉力、重力)约束下的非线性多体动力学问题，目前缺少精确的解析设计方法[1-2]。传统设计方法是通过基本型类推进行二维设计，然后采用木模或钢模进行拉锚试验。采用的锚穴设计在传统建造过程中出现锚座碰撞船体外板、起锚收入时锚碰撞锚穴壁板、起锚收入过程不通畅等情况。为了改进边锚装置的设计，需要进行反复修改和试验验证才能确定最终设计方案，带来的问题是设计周期长、试验成本高[3-4]。传统二维设计加实物模型试验方式的固有特点造成设计初期难以发现问题，且不能满足新形势下的快速设计修改、快速验证的新需求。若采用低成本的缩小比例木模，则不能完全分析出实船状态。木模的密度、质量、摩擦系数与实际偏差太大，木模试验精度也不能准确而完全地反映出锚的微小结构情况，致使锚系相关结构特征不能很好地发挥性能。若采用1∶1钢模进行试验，虽然能满足实际的模拟要求，但是成本高、建造周期长，仍然不能达到设计过程中需要的快速修改要求。

随着数字化造船的快速发展，计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)技术及计算机辅助工程分析技术具有广泛应用：可在三维交互设计环境下完成船舶锚系各组件的三维实体建模，并组装孪生数字虚拟样机；在此基础上完成对船舶锚系各组件的运动动态与接触状态的仿真评估；依据评估结果优化设计方案，在设计的早期阶段验证锚系性能，从而实现降本增效，并显著提高锚系设计质量。采用三维交互设计和拉锚动力学分析，从开始三维建模到整个拉锚仿真试验完成，只需约1～2周，而木模试验或钢模试验需要1个月以上。在修改后再试验方面则更为突出：当遇到问题需要修改锚唇截面尺寸、重新进行拉锚试验时，计算机模拟3 h左右能完成修改设计的快速验证，而木模或钢模约需1周。

1 锚系三维交互设计及拉锚试验仿真技术

锚系三维交互设计和起抛锚仿真流程如图1所示。首先，根据船厂提供的图纸——船首线型图、锚设备图、锚台(锚唇)或锚穴结构图及锚系布置图，使用交互式参数化自动建模，完成船首、锚链筒、锚穴(锚台-锚唇)、锚、锚链、导链滚轮(掣链器)的三维实体建模。在此流程中，锚构件结构较为复杂，所以一般通过数据库调用对应厂家不同规格的锚。在此基础上，通过船舶锚系装配定位工具完成交互式装配。最后，通过虚拟起抛锚仿真，在运动仿真参数、精度和仿真时间匹配设置的基础上开展求解计算，并输出锚系组件运动姿态、轨迹与贴合状态。锚系动力学分析的整个流程：从初始的几何模型到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果。锚系设计分析主要包括建模和求解两个阶段。

图1 锚系三维交互设计和起抛锚仿真流程

1.1 锚系初始布局及三维几何建模

针对锚系装置设计面临的约束，开始初始设计，包括定位锚链筒角度、锚链筒开口位置、锚唇-锚台或锚穴结构设计。锚系三维设计与模型建立是交互设计与性能仿真优化的基础，既需要具备导入船体、锚系布置、锚链筒、锚穴或者锚台-锚唇二维设计图纸生成三维模型的能力，也可输入参数尺寸完成交互式设计与三维建模，并实现锚链筒、锚台-锚唇或锚穴尺寸位置验证功能。

通过二次开发的锚系辅助设计专家系统开展交互锚系布局设计。锚系的主要设计是指建立非标件的设计模型，并作为仿真模型的输入。锚系数字化建模中的几何模型与锚系结构设计相对应，是后续一系列过程进行的基础。

此外，在锚系标准件建模方面，锚系三维交互设计具备锚、锚链、导链滚轮(掣链器)等标准件自动建模能力，通过输入相应规格参数，可直接生成相应的标准件。锚链及锚标准件调用起抛锚动力学分析系统自建的重用库及标准件库。

1.2 锚系装配定位及孪生虚拟样机模型构建

在锚系各组件完成三维交互设计与三维建模之后，可以构建数字孪生虚拟样机。通过对锚系各组件的位置进行自动装配定位，定义起抛锚初始状态。利用CATIA三维辅助设计系统的特征定位功能、装配定位功能，定位标准件与其他零件的位置关系，开展锚系装置装配，并建立三维虚拟样机。锚系动力学仿真系统已经在后台数据库中建立相对应的参数传递，建立了尺寸链接关系。锚系三维交互设计具备对锚系起抛锚进行全程运动分析的功能，可辅助设计人员不断优化设计和验证设计效果。

1.3 锚系动力建模及起抛锚运动分析

在数字孪生虚拟样机建模基础上，可以完成后续的起抛锚性能仿真评估，通过多体动力学仿真分析可以：输出锚系组件的运动状态、各组件的运动轨迹、各组件配合与接触碰撞形态；输出动态起抛锚过程下锚位置与船体球鼻艏的距离；输出锚的翻转、接触碰撞、耦合与贴合状态；自定义关键接触部位位置、接触渐进过程的细节剖视和透视状态。此外，在静态锚收藏状态下可以给出与锚穴各板的距离、校核锚与锚台-锚唇或锚穴的接触点。

拉锚仿真内容和流程如图2所示，包括锚系动力学仿真计算、设计方案验证评估与优化模块。动力学仿真计算包括锚系运动组件设置、组件链接设置及仿真系统驱动的添加，然后设定接触连杆间的摩擦系数，最后设定解算方案属性中的重力与解算误差参数。仿真分析方案分别对锚系进行动力学仿真分析，包括球鼻艏防碰撞距离安全检测，锚-锚链接近锚唇或锚穴过程中的翻转过程检测、锚爪贴合过程检测等3个方面。

图2 拉锚仿真内容和流程

数字孪生虚拟样机性能仿真可以模拟出是否存在卡锚状态、锚是否碰撞球鼻艏或船体外板，并可动态实时反馈锚与锚唇或锚穴、锚杆与锚链筒、锚链与导链滚轮(掣链器)等位置的接触情况。对于异常情况，可以交互修改锚链筒设计角度、锚台面设计角度及锚唇型线参数，并可在交互设计与建模模块实现快速更改模型，更新数字孪生虚拟样机，重新仿真模拟起抛锚过程，不断改进优化锚系设计参数，迭代优化直到满足设计要求。通过数字孪生虚拟样机性能仿真及多体动力学分析计算，研究拉锚过程中锚的翻转情况及碰撞分析。根据计算机模拟拉锚结果，对锚台以及锚唇做出相应调整和优化设计，保证锚链收起过程的顺畅以及锚收起后与锚唇的贴合状态满足相关规范和标准。

通过锚泊动力学仿真，可对比分析不同起锚或抛锚工况下多种锚系运动状态，分析不同设计方案：可得到拉锚过程中的贴合和接触情况的对比评估，锚与船体碰撞接触点量化对比，拉锚试验中内部剖开细节展示，拉锚试验中贴合点、间隙等细节量化；可分析横倾、纵倾情况下船舶晃动状态及锚系运动状态。对锚系拉锚过程状态进行动力学仿真，模拟拉锚过程中锚爪翻转状态，如图3所示；验证锚台-锚唇的结构设计是否符合相应锚型特点，如图4所示：边锚起锚安全距离为距船体最近点约1 987 mm，距离较安全，在船体纵倾5°、横倾3°以内，不会发生碰撞球鼻艏的情况。

图3 拉锚过程中锚翻转和收藏的动态过程

图4 起锚时距船体的安全距离检测

2 锚系快速交互设计更改和生产工程图输出

若设计存在问题，计算机可模拟检查出锚被卡住、碰撞外板、锚与锚穴或锚杆与锚链筒接触等异常状态。如图5和图6所示，第1.3节三维拉锚运动模拟仿真分析结果可呈现出贴合问题，若锚-锚穴等不贴合，可量出偏差，若刮擦碰撞可测量接触位置，为下一步修改提供依据。若在原设计方案基础上出现翻锚、锚贴合不佳、锚杆进入锚链筒时碰撞内壁等情况，需对原有设计进行修改。针对遇到的异常翻锚与贴合状态，可在AutoCAD中修改原锚系设计图，并在建模模块中对锚链筒中心线角度和锚唇外形尺寸设计进行对应修改，依次进行重复对比仿真，直到设计满足要求，并针对满足要求的结果生成相关模型工程图。若设计不满足设计规范则修改初始设计，重新开展仿真分析。利用测量误差，结合原三维模型，在CAD软件中进行响应模型修改，再重新进行模拟仿真，利用计算机辅助设计功能的便捷代替木模试验的繁琐，从而节省工作成本。如图7所示，导出工程图，包括锚系布置图、锚穴设计图、锚链筒展开图、锚台样板图、锚唇剖面图和锚台展开图等。

图5 锚杆与锚链筒接触情况

图6 锚尖与锚穴板间隙

图7 锚系工程图输出

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3 结 论

锚系数字化交互设计依据原锚系设计图纸进行1∶1实际比例三维建模，通过设计坐标进行零部件精准装配，设定切合实际的运动参数，进行数字化模拟试验仿真。通过仿真动画结果，可直观评估拉锚过程中锚的翻转状态及最终贴合状态，并可进行误差测量分析，快速得到交互响应，针对结果中的问题在模型中做出对应修改，进行重复试验。此方法利用计算机数字化仿真代替木模试验法，达到快速响应、节省设计成本的目的，有效提高设计工作的效率。结果表明，基于拉锚虚拟仿真的锚系交互设计技术，可以代替传统的二维设计与木模试验的设计方法，在设计的早期阶段就可实现评估整个运动过程接近实际船舶锚系拉锚运动工况，为锚系设计方案优化提供可靠手段。