无锚台或锚穴的船舶锚系设计及应用研究

蒋 江郭学峰

（1.江苏新时代造船有限公司 靖江214514；2.中远船务工程集团有限公司技术中心 大连116600）

无锚台或锚穴的船舶锚系设计及应用研究

蒋 江1郭学峰2

（1.江苏新时代造船有限公司 靖江214514；2.中远船务工程集团有限公司技术中心 大连116600）

传统的船舶通常设置锚台（锚唇）或者锚穴，以便锚与锚穴或锚台（锚唇）很好地贴合，但如能利用船舶首部的结构外飘型线，通过不设置锚台（锚唇）或锚穴，而让锚冠及锚爪直接与外板接触，便能有效降低船舶的建造成本并缩短建造周期。然而这样对于船舶首部的型线设计、锚端链节设计、锚型式的选择、锚冠及锚爪接触处外板强度等要求都不同于传统。文章以国外示例，结合实船效果展示，对无锚台（锚唇）或锚穴的船舶锚系设计方法进行研究，通过逆向工程分析并充分利用三维仿真设计软件，在满足入级船级社规范要求的前提下，探索出无锚台（锚唇）或锚穴的船舶锚系设计方法。

无锚台（锚唇）或锚穴；锚系改进设计；三维仿真软件

引 言

海船首部通常设置锚台（锚唇）或者锚穴，用来实现锚的收存，也保证锚爪和锚冠能与船体很好地贴合，防止锚晃动。然而，船舶设置锚台（锚唇）或者锚穴也给船舶设计及建造带来了一定的困难：

（1）设计困难。由于锚台（锚唇）或者锚穴形式特殊，加上船舶首部线型复杂，因此设计很困难，需要进行木模试验来验证详细设计的可行性；同时根据试验结果，对锚链筒的位置和锚台、锚穴的形状进行修正。设计需要反复多次，耗时较久。

（2）生产及建造困难。由于锚台或锚穴的结构特点（整个外形以曲面为主，线型复杂），因此给生产及建造带来一定难度。

通过学习国外先进的锚系布置，我们发现该船没有锚台或者锚穴，锚冠及锚爪直接与外板接触。如能在船舶设计初始阶段充分利用船舶首部的型线，通过设计合理的大外飘船体型线，不设置锚台（锚唇）或锚穴而让锚冠及锚爪直接与外板接触（见图1），既可简化设计，又缩短了船舶建造周期。对于50 000 t的船舶则可以减少船舶质量15 t左右，经济效益显著。

图1 国外某实船（锚与外板直接接触）

船舶首部不设置锚台（锚唇）或锚穴，对于船舶首部的型线设计、特殊锚端链节设计、锚型式的选择、锚冠及锚爪接触处外板强度等都不同于传统船舶设置锚台或者锚穴时的要求。

下面结合实例，从几个方面对无锚台（锚唇）或锚穴的船舶锚系设计及应用分别进行阐述。

1 首部型线设计

通常船舶首部型线是复杂的三维曲面，该曲面由不同形状的横剖面和水线面组成。船舶首部型线设计包括：结构吃水线以下型线和结构吃水线以上型线，该设计直接影响到首部结构的外飘大小。

船舶结构吃水线以下型线主要考虑船舶航行的水动力性及航速，这里不作修改。

船舶首部不设置锚台（锚唇）或锚穴，则首部型线需要特别设计，这里主要考虑结构吃水线以上型线及首部的剖面形状。

在设计船舶结构吃水线以上型线及首部的剖面形状时主要考虑以下几个方面：

（1）首部甲板上系泊及锚泊设备、其他通风设备等布置所需的面积，以满足设备的使用要求为总原则；

（2）船舶航行时上浪影响（如甲板外飘较大），可能会产生较大飞溅，从而增加船舶航行的阻力；

（3）过大的首部结构外飘可能引起船舶较大的横、纵摇加速度、局部砰击和频繁的溅水现象、需要增加建造材料的使用；

（4）从船舶美观性、观赏性角度来设计首部的外飘；

（5）首部型线（锚链筒通过其舷侧出口处的水线面）的设计，尽可能保证锚链筒轴线垂直于该水线面；

（6）首部横剖面型线需要考虑锚与外板的贴合，为后期锚的选择做准备。

综上所述，在设计船舶首部结构吃水线以上型线时，需要选用合理的外飘（以基本满足首部系泊及锚泊设备的布置为原则）并适当减小结构吃水线以下横剖面的宽度，以便船舶在横倾1°收放锚操作时，锚不与外板相碰［1-2］，从而使优化后的船体湿表面积变化很小，并且粘性阻力无明显变化，通过减小兴波阻力来改善船舶航行的总阻力。

根据以上设计原则，我们初步设计了某一实船首部型线，见下页图2。

图2 实船首部型线设计示例

该设计首部锚与外板接触处型线外飘较大，该处型线充分考虑下一步采用锚与外板的贴合。

2 特殊锚端链节设计

船舶首部没有设置锚台，锚冠及锚爪直接与外板接触，导致锚链筒的长度减少。通常锚链筒的设计长度需要满足容纳锚杆及与锚连接的锚链末端部分。

与锚连接的锚链末端部分通常包括：锚卸扣、末端卸扣、末端链环、加大链环、转环（或者转环卸扣）、末端链环、加大链环（或者锚卸扣、末端卸扣）、末端链环、转环等，它们与锚链的普通链节（长约27.5 m，包含普通链环及肯特卸扣）连接。

由于锚链筒的长度减少，所以我们修改了传统锚与锚链的连接方式，仅保留转环卸扣，使其直接与普通链环及肯特卸扣连接。这样一方面可以满足锚链筒长度减少的实际情况，另一方面可以减少链节的型式，降低成本，也有利于船东将来维修，使锚链前后节非常方便地进行倒换。修改后的锚链节设计见图3。

图3 修改后的锚端链节设计

3 锚型式的选择

由于上述的设计锚与首部船体外板直接接触，船体首部外板没有锚唇，而普通无杆转爪锚（如Spek等）其锚冠处的导向装置（斜铁）影响锚冠及锚爪与外板接触，为此我们采用焊接大抓力锚如Pool、 德宏锚等（见图4）。该形式锚目前不常使用。

图4 德宏锚三维效果图

4 三维仿真软件模拟拉锚试验

船舶首部不设置锚台（锚唇）或锚穴，设计锚链筒的位置及角度时需特别考虑。锚链筒设计应满足以下几个原则：

（1）锚链在经过锚链筒时只受拉力，链环不受弯曲，锚链筒上下端口应有大曲率半径的保护圆钢；

（2）在收锚时，锚杆能顺利进入锚链筒；放锚时易于脱离锚链筒，保证锚链筒的角度。

根据上面的设计使用三维仿真软件模拟验证改进后锚系设计的可行性，这里使用三维设计软件Rhino进行船体外板及锚、锚链筒的三维模型设计，具体步骤如下：

（1）根据已知的横剖面型线建立相关的肋位图；

（2）建立不同吃水的水线面；

（3）根据上述不同的横剖面、纵剖面型线将船体外板光顺；

（4）根据锚厂家图纸，建立锚模型；

（5）锚链筒与外板出口处设置直径60 mm左右的圆钢；

（6）在锚爪及锚冠与外板接触处设置不锈钢加厚板（防止锚与外板贴合作业刮伤外板油漆）；

（7）模拟验证锚与外板的贴合及收放锚。

拉锚试验运动仿真的目的是为验证锚、外板型线及锚链筒的设计是否合理，确保锚在上升途中不与船体发生碰撞，锚在收紧后能与外板紧密贴合。

锚在收进锚链筒以及与外板在贴合过程中容易发生的问题有：

（1）收锚时，锚链筒中心线和外板间夹角过小。使锚链筒的外板出口长轴过大，收锚时锚冠上的一块耳板被拉入筒口，发生锚杆下部与筒口卡住、锚杆上部与锚链筒内壁卡住的现象。

（2）收锚时，锚杆上端与筒口卡住，锚杆进不了锚链筒的现象。这是由于锚链筒中心线的侧面角过大，或是锚链筒外板出口处过于陡直。产生上述不良情况的大部分原因在于没有选择与船体型线相匹配的锚链筒中心线侧面角和水平角。

本实船模型调整后的模型见图5。

图5 三维模型设计效果图

5 锚冠及锚爪与外板接触处的外板强度校核

锚泊的主要作用是在锚地或者港池内限制船舶的活动范围（此时系泊系统不起作用），使其不会随意漂流。因此要保证船舶在受到外力的作用下进行漂移时，抛出的锚泊线下端总能相切于水底，充分发挥锚的抓力，防止走锚。

5.1 作用在船舶锚系结构的外力计算［3］

每米锚链链长在水中的质量约为87%锚链自重。

锚链筒出口处锚链张力（作用于船体结构）根据选用的锚链直径92 mm选用。

5.2 锚链筒及外板的结构模型

锚链筒及外板结构受力频繁的地方在锚链筒上下经常接触点，收紧锚链过程中，锚链筒圆钢下经常接触点受力。收紧锚时，锚爪受到锚机的拉紧力，使锚贴紧锚唇结构。

根据船舶入级规范建议要求，将船体结构采用板格单元，结构模型网格尺寸定义为50×50， 边界条件为刚性固定。

5.3 有限元结果与分析

许用应力值，按照入级LR规范要求［4］：σ_all=160 N/mm2τ_all=90 N/mm2

由于锚与外板贴合处外板的受力不是经常重复的，故不存在结构疲劳工况。

示例船锚链的张力计算：

锚链筒出口处锚链张力（作用于外板结构）T=作用在船舶的环境合力+锚链在水中的自重×船舶距海底深度

通过计算发现实际应力值满足强度要求。对外板结构模型网格划分和应力云图见下页图6［5］。

图6 有限元应力云图

6 实际效果

根据上述设计以及计算的结果送审LR船级社和船东，获得通过。目前该项设计已应用于实船（见图7）。

图7 实际效果图

7 结 论

本文对无锚台（锚唇）或者锚穴船舶锚系设计进行了研究，对船舶的首部型线设计、锚端链节设计、锚型式的选择以及锚链筒处外板的结构强度等方面也作了分析，并提出相应的计算方法和思路。希望能对类似设计提供一些参考。

［1］CBZ 280-2011 海船艏锚泊设计导则［M］.北京：中国船舶工业综合技术经济技术研究院出版社，2011.

［2］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册（舾装分册）［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［3］陈铁云，陈伯真.船舶结构力学［M］.上海：上海交通大学出版社，1998.

［4］英国劳式船级社.英国劳式船级社船舶规范 ［S］.2014.

［5］王杰德，杨永谦.船体强度与结构设计［M］.北京：国防工业出版社，2006.

信息动态

全球首艘用乙烷作为燃料的液化气体运输船首制船成功交船

11月初，由中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）完成详细设计的36 000 m3液化气运输船首制船成功交付。

该船全长188.3 m、型宽29 m、型深17.5 m、设计吃水9.5 m、结构吃水10 m、服务航速18.6 kn。该船液货舱总容积约36 000 m3，包括3个C型独立舱，罐体采用5%镍钢，舱内设计温度零下104℃。该船液货舱呈星形三体状，采用该设计的储罐，相比同尺寸的传统船舶，能够增加30%的装载能力。该船采用的新型发动机可用燃油、LNG和乙烷作为燃料，这将是世界首艘用乙烷作为燃料的远洋船舶。该船生活楼布置于船体首部区域，如此设计除大幅改善驾驶视线之外，还能优化船体配置、优化压载水使用，且降低了油耗和排放。

Design and application of ship anchoring system without bell mouth or anchor pocket

JIANG Jiang1GUO Xue-feng2
(1.Jiangsu New century shipbuilding, Jinjiang 214514, China; 2.COSCO Shipyard Technical Center, Dalian 116600, China)

The bell mouth and anchor pocket are often set up on the traditional seagoing ships to make sure the anchor will well fit to the anchor pocket or bell mouth.Whereas the bell mouth or anchor pocket can also be removed by utilizing the flare line of the ship bow.Therefore, the anchor crown and anchor fluke can directly contact with the shell plating, which can significantly reduce the construction cost and shipbuilding cycle.However, it should fulfill the requirements different from the traditional ones for the ship bow lines design, swivel piece design, anchor type selection, strength at the location that anchor crown and the anchor fluke contacted with the shell plating, etc.In this paper, the ship anchoring system design method is investigated by pertinently referring to the foreign examples together with the demonstration of the full scale ship.In order to meet the classification society regulations, the design method is finally worked out through the reverse engineering analysis and the 3D simulation software.

without bell mouth or anchor pocket; improvement design of anchoring system; 3D simulation software

U664.4

A

1001-9855（2016）06-0094-05

2016-06-30；

2016-09-04

蒋 江（1973-），男，工程师，研究方向：船舶舾装件设计与研究。郭学峰（1971-）, 男 ，高级工程师，研究方向：船舶、海洋工程船结构、舾装设计。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.094