基于Solidworks 的拉锚速度对拉锚影响的仿真分析

陈 壮，张梦婷，曾 巍，卢慧敏

（1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2.中船外高桥邮轮供应链（上海）有限公司，上海 200137）

1 前言

锚是船停泊时所用的设备，其作用主要是依靠锚和锚链的重力插入海底，以达到在浅海和港湾固定、稳定船的目的。船舶航行过程中，考虑到船艏部上浪冲击等因素，通常设有锚唇或锚穴以可靠的收紧船锚，避免其擦碰船体损害船体结构。停航时抛锚和航行时收锚，通常都是由船舶液压（或电动）锚机来完成，而各船级社规范对锚机性能的要求，通常为根据锚链直径和锚链等级计算的锚机负载下，锚机能连续工作30 min（平均的拉锚速度应不小于9 m/min），而拉锚速度的大小直接影响整个拉锚过程的稳定性，过大的拉锚速度会对锚系其他部件产生损害，影响船舶的航行安全。

虽然目前已经有众多船舶甲板机械厂商开发了各型自动液压锚机，可以自动控制锚机拉锚速度，通过锚链长度传感器感应锚链抛出长度，在检测到锚链抛出长度达到设定抛出长度后，锚机可自动停止；检测到锚杆即将靠近或者进入锚链筒时，锚机接受反馈信号可自动减速；在锚爪稳定收靠后，锚机接受反馈信号可自动停车。但是大部分船东考虑成本因素，并未配备带有锚链长度传感器的自动液压锚绞机，考虑到手动控制锚机拉锚速度时可能会出现拉锚速度过大或者太小，因此在设计阶段对拉锚速度对船舶拉锚状态的影响进行分析是很有必要的。

在船舶详细设计阶段，分析拉锚速度对船舶拉锚状态影响的方法通常有两种：一是船舶木模拉锚试验，通过搭建一定缩比的船艏部及锚系部件木质模型，对船舶拉锚过程进行模拟。该方法作为传统拉锚试验方案，在主流船厂使用度较高，但是对于需要比较不同拉锚速度下的锚系各部件运动状态，由于木质模型和实际锚系材料在摩擦系数、材料密度等方面差别较大，以及缩比后主尺度的影响，此方案的准确度不是太高；二是使用三维软件对船舶拉锚、抛锚过程进行仿真模拟，常用的包括Solidworks、UG 等软件[1]，三维软件拉锚仿真相比于木模拉锚试验优势较为明显：首先，三维软件拉锚仿真单次模拟时间约为8～10 h，而木模拉锚试验单次时间约为10～15 天；其次，木模拉锚试验无法精确模拟钢与钢接触的动、静摩擦系数，无法模拟锚、锚杆及锚链的运动状态细节；最后，初次拉锚试验结果不理想修改方案后，木模拉锚试验需要重新制作木模，耗费时间、物料及人力，成本极高。

Solidworks 作为工程领域使用最广的三维软件，在其Motion 环境下通过设置模型零部件的材料特性、零部件间的接触特性参数、零部件上的负载、速度及加速度等特性，可对模型各零部件在设定条件下的运动状态进行仿真分析，并可以输出各零部件的速度、加速度及负载等数据，以便对其运动特性进行图形化分析[2]。基于Solidworks/Motion 在运动仿真分析方面的特点及优势，本文确定使用Solidworks/Motion 来模拟分析不同拉锚速度下的船舶拉锚状态。

2 锚系模型建立

本文以中国船舶集团上海船舶研究设计院设计的某型70 000 DWT 木屑船锚系为研究对象，搭建其锚系三维模型并进行动态仿真分析。考虑到Rhino 软件在曲面处理方面的能力，锚系模型中需要曲面建模的锚唇、锚台及船艏部模型在Rhino 软件中建模后导入Solidworks 生成模型，其他锚系部件模型包括锚、锚杆、锚链、锚链筒及导链滚轮在Solidworks 中建模；锚系各部件模型建立后，根据锚系布置图定位尺寸在Solidworks 中完成锚系模型的装配，如图1 所示。

图1 锚系三维装配模型透视图

本文拉锚仿真目的，是分析不同拉锚速度下的船舶拉锚状态，比较不同拉锚速度下锚系部件的运动特性，为实船拉锚速度提供较为可靠的理论依据。由于Solidworks/Motion 仿真分析时间受模型零部件数量及零部件间接触精度影响较大，设定合理的锚至锚唇处的普通锚链环数量，既能观察拉锚过程中锚系组件的运动状态，也能在一定程度上减小仿真时间，提高仿真效率。

2.1 锚及锚链三维模型

根据详细设计锚系布置图等，输入参数建立锚、锚杆及锚链的三维模型并进行模型装配，如图2 所示。其中，锚为平衡大抓力锚，锚重为9 225 kg，锚爪与锚杆角度限制为±35°，锚链直径为87 mm。

图2 锚及锚链三维模型

2.2 锚链与锚唇

模型中运动部件速度和力的突变会影响仿真的稳定性，为保证模型在仿真初始状态的稳定性，按照常规设计方案设置3 个普通链环与锚唇下口接触，如图3 所示。

图3 锚唇下口处锚链状态

2.3 导链滚轮三维模型

考虑到零部件数量对仿真速度的影响及导链滚轮的转动与否不会对仿真结果产生影响，为简化仿真模型，将滚轮转轴固定并与船首及锚链筒整合为单个模型；导链滚轮后设置有3 个普通链环，在自由端锚链处可设置速度驱动及力驱动以模拟锚机拉锚实际驱动情况，导链滚轮三维模型，如图4 所示。

图4 导链滚轮三维模型

3 Motion 动态拉锚仿真

3.1 仿真参数设置

固定船首模型，装配体中可运动零部件包括锚爪、锚杆及锚链，将可运动零部件调整至仿真初始状态；设置模型装配体各零部件材料属性；设置装配体零部件间的实体接触为钢与钢的接触，包括锚台锚唇与锚链、锚杆及锚的三维实体接触、普通锚链与锚杆卸扣的三维实体接触、普通锚链之间的三维实体接触及导链滚轮与普通锚链间的三维实体接触；设置模型装配体重力加速度值及方向；设置模型驱动力，为准确模拟船舶拉锚的实际施力情况，本仿真采用速度控制结合力控制的驱动方式[3]，在锚爪贴合锚唇之前使用恒定速度的线性马达驱动锚链自由端，为减小仿真时间，在锚杆进入锚链筒之前，线性马达速度设定相对较大为15 m/min，在锚杆进入锚链筒后线性马达速度设定为锚机正常工作速度12 m/min，线性马达速度设置如图5 所示；在锚爪开始接触锚唇后，在尾端锚链处施加恒定拉力，此时拉力通常约为2 倍锚重，此种仿真条件设置可准确模拟拉锚过程各零部件中的负载情况。

图5 线性马达速度设置

然后，在Solidworks-Motion 模块-运动算例属性-Motion 分析中，设置装配体模型三维接触精度；为了获得较为准确的仿真结果，三维接触精度设置不宜太低，在运动算例属性-高级选项中设置Motion 动态仿真积分器的参数，最后设置模型仿真总时间。

3.2 仿真结果分析

1）拉锚速度12 m/min 仿真分析

输出拉锚速度为12 m/min 的拉锚仿真结果，为清楚观察锚及锚链在整个拉锚过程中的运动状态，设置艏部模型为透明且将不同时间下的锚及锚链运动状态组合，如图6 所示。

图6 12 m/min 拉锚试验仿真结果

由图6 可知：在锚杆进入锚链筒之前，拉锚速度为15 m/min，锚链可平稳的通过锚唇进入锚链筒；在12 m/min 的拉锚速度下，锚杆可平稳的进入锚链筒，锚杆端部没有碰撞锚链筒内壁；锚爪靠近锚唇后会沿锚唇端面向上滑移，直至锚爪对称两点及锚冠一点共三点与锚唇紧密贴合，达到理想的收靠状态。

为分析拉锚速度过大或太小时锚爪、锚杆及锚链的运动轨迹，将锚杆进入锚链筒后锚爪贴合锚唇前的拉锚速度分别设置为6 m/min 及18 m/min，并进行仿真分析以确定其影响。

2）拉锚速度6 m/min 仿真分析

改变线性马达设置参数：在锚杆进入锚链筒之前，线性马达速度为15 m/min；在锚杆进入锚链筒后，线性马达速度设定为6 m/min，如图7 所示。

图7 线性马达速度设置

输出拉锚速度为6 m/min 的拉锚仿真结果，如图8所示。

图8 6 m/min 拉锚试验仿真结果

由图8 可知：在锚杆进入锚链筒之前，拉锚速度为15 m/min，锚在上升过程中有扭转动作，锚链可平稳的通过锚唇进入锚链筒；锚杆可平稳的进入锚链筒，锚杆端部没有碰撞锚链筒内壁；锚爪靠近锚唇后会沿锚唇端面向上滑移，直至锚上部锚爪对称两点及锚下部锚冠一点共三点与锚唇紧密贴合，达到理想的收靠状态。

3）拉锚速度18 m/min 仿真分析

改变线性马达设置参数：在锚杆进入锚链筒之前，线性马达速度为15 m/min；在锚杆进入锚链筒后，线性马达速度设定为18 m/min，如图9 所示。

图9 线性马达速度设置

输出拉锚速度为18 m/min 的拉锚仿真结果，如图10 所示。

图10 18 m/min 拉锚试验仿真结果

由图10 可知：在锚杆进入锚链筒之前，拉锚速度为15 m/min，锚在上升过程中有扭转动作，锚链可平稳的通过锚唇进入锚链筒；在锚杆进入锚链筒的过程中，拉锚速度为18 m/min，此过程中锚杆末端卸扣与锚链筒上内壁发生碰撞，如图11 所示；锚爪靠近锚唇后会沿锚唇端面向上滑移，直至锚上部锚爪对称两点及锚下部锚冠一点共三点与锚唇紧密贴合，达到理想的收靠状态。

图11 锚杆末端卸扣与锚链筒上内壁碰撞

由不同拉锚速度下拉锚仿真结果可知：过大的拉锚速度，会导致锚杆末端卸扣与锚链筒内壁多次碰撞。考虑到锚链筒上部通常做的比下部薄，这种碰撞会对锚链筒强度产生较大的冲击损伤，需要尽量避免。

4 结语

本文以某70 000 DWT 木屑船锚系为研究对象，通过基于Solidworks/Motion 的动态拉锚仿真，分析了不同拉锚速度下锚爪、锚杆及锚链的运动轨迹。仿真结果表明：过大的拉锚速度会导致锚杆末端卸扣与锚链筒内壁多次碰撞，这种碰撞会对锚链筒强度产生冲击损伤；小于规范要求的平均拉锚速度拉锚对锚爪、锚杆及锚链的运动状态影响不大，仿真结果为实际拉锚操作提供了重要指导。为进一步分析船舶拉锚过程中的影响因素，下一步仿真工作将围绕风、浪、流等因素对拉锚运动状态的影响展开。