張　力， 胡小才， 楊　振

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

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UG仿真拉錨在船舶建造中的實(shí)踐

張力， 胡小才， 楊振

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

摘要主要介紹了我公司在31.8萬(wàn)噸級(jí)VLCC建造過(guò)程中，應(yīng)用UG平臺(tái)進(jìn)行拉錨仿真試驗(yàn)，利用該方法驗(yàn)證錨系設(shè)計(jì)的合理性及建造定位的準(zhǔn)確性，為順利完成整個(gè)錨系的建造提供了良好的依據(jù)，且驗(yàn)證了UG仿真拉錨的工程合理性與實(shí)用性，達(dá)到了縮短船舶錨系建造周期、節(jié)省返修人工成本的目的，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際拉錨一次成功的目的。

關(guān)鍵詞船舶錨系UG仿真拉錨試驗(yàn)

Practice of UG Simulation Anchor in Shipbuilding

ZHANG Li, HU Xiao-cai, YANG Zhen

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Accuracy Management Department,Shanghai 200137, China)

AbstractThis paper mainly introduces the practice of UG simulation anchor in the building of 318 000 t VLCC. Based on the UG platform for anchor simulation test, the rationality of anchoring system design and the accuracy of construction positioning were verified. This method provides a good basis for the successful construction of the anchor system, and also verifies the engineering rationality and practicability of UG simulation anchor. This method can help us to short the construction period of ship anchor system, save the cost of repair, to realize the success of anchoring for the first time.

Keywords Ship anchor systemUG simulationAnchor test

0引言

錨泊系統(tǒng)的安全性和可靠性在船舶的安全營(yíng)運(yùn)上起著重要作用，而整個(gè)錨系的設(shè)計(jì)也一直困擾著廣大船舶設(shè)計(jì)人員。目前錨系設(shè)計(jì)基本是依據(jù)設(shè)計(jì)人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或參考母型船設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，在整個(gè)過(guò)程中要依據(jù)船型分別設(shè)計(jì)錨鏈筒和錨唇，最后進(jìn)行木模制作，開(kāi)展木模試驗(yàn)，直至達(dá)到滿意效果。在試驗(yàn)過(guò)程中，若發(fā)生卡錨、跳鏈等狀況，還需根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及修正方案，二次制作木模， 整個(gè)過(guò)程浪費(fèi)了大量的人力 、 物力和時(shí)間[1]。

如何取消木模試驗(yàn)，找到一種簡(jiǎn)便可靠的方法解決整個(gè)錨系的建造問(wèn)題是各大船舶企業(yè)面臨的迫切任務(wù)。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)在造船行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，使得我們?cè)谌S設(shè)計(jì)環(huán)境下對(duì)船舶錨系建模仿真成為了可能。

UG作為目前市場(chǎng)上一款主流工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具，它不但提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模功能，且更具有高效的曲面構(gòu)建能力，能夠完成各種復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)，同時(shí)它還具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)仿真和有限元計(jì)算功能，這些都為船舶錨系的仿真提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，使得基于UG平臺(tái)的拉錨仿真試驗(yàn)成為可能。

本為主要介紹了UG拉錨仿真試驗(yàn)在我公司建造的31.8萬(wàn)噸級(jí)VLCC建造過(guò)程中的應(yīng)用，通過(guò)基于UG平臺(tái)的拉錨仿真試驗(yàn)，為順利完成整個(gè)錨系的建造提供了良好的依據(jù)，達(dá)到了縮短船舶錨系建造周期、節(jié)省返修人工成本，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際拉錨一次成功的目的。

1UG仿真拉錨與木模試驗(yàn)的區(qū)別比較

拉錨試驗(yàn)的目的是：(1) 驗(yàn)證錨系在拉錨和拋錨的過(guò)程中是否碰撞船體外板；(2) 驗(yàn)證收錨、拋錨過(guò)程是否卡錨，及錨爪是否會(huì)碰到錨唇無(wú)法翻轉(zhuǎn)；(3) 驗(yàn)證錨-錨唇-錨臺(tái)的貼合狀態(tài)是否良好。

目前各大船舶設(shè)計(jì)研究院和各大船廠普遍采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)錨系進(jìn)行布置，尤其是錨臺(tái)和錨唇的角度設(shè)計(jì)更一直是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，雖然后期通過(guò)木模試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并根據(jù)木模試驗(yàn)結(jié)果反饋回來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)再進(jìn)行優(yōu)化，但整個(gè)設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，浪費(fèi)了大量的人力、物力。此外，木模試驗(yàn)還存在以下難以克服的缺點(diǎn)：(1) 由于木模試驗(yàn)中按照一定比例將錨系縮小，導(dǎo)致木模實(shí)際的狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)有所偏差，即錨系的結(jié)構(gòu)狀態(tài)會(huì)發(fā)生一定改變；(2) 木材的摩擦系數(shù)和鋼材之間存在較大差異，木模試驗(yàn)結(jié)果不能完全反映實(shí)際情況；(3) 木模試驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后，難以準(zhǔn)確確定修改方案，有時(shí)甚至需要三次、四次的模擬，使整個(gè)設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)加劇。上述木模試驗(yàn)存在的先天缺陷，不僅帶來(lái)了設(shè)計(jì)成本的增加，而且仍然無(wú)法保證實(shí)際拉錨能夠一次到位。圖1為木模拉錨試驗(yàn)。

圖1　木模拉錨試驗(yàn)

UG拉錨仿真試驗(yàn)是在UG平臺(tái)下的1∶1建模，且通過(guò)對(duì)材質(zhì)的設(shè)置和摩擦系數(shù)的設(shè)置，可以完全模擬實(shí)際拉錨狀態(tài)。在整個(gè)錨系的設(shè)計(jì)初期，仿真人員即可同步建模開(kāi)展錨系模擬工作，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改，可以實(shí)現(xiàn)錨系的交互設(shè)計(jì)驗(yàn)證，顯著縮短了設(shè)計(jì)周期。此外，通過(guò)UG軟件可以直接生成后期放樣數(shù)據(jù)，使整個(gè)錨系的布置和定位狀況顯現(xiàn)更為直觀。圖2為UG拉錨仿真建模。

圖2　UG拉錨仿真建模

2UG建模仿真分析

2.1UG建模

整個(gè)錨系由錨鏈筒、錨臺(tái)、錨唇、錨鏈等構(gòu)成，在UG建模過(guò)程中，參考船舶錨系布置圖、錨唇放樣圖、船舶型線圖等進(jìn)行建模。在整個(gè)建模過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 由于整個(gè)錨系僅存在于船舶艏部，因此在建模過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)型線圖建立船舶艏部相關(guān)分段的外板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其它區(qū)域不予建模，這樣不僅可以節(jié)省大量的建模時(shí)間，而且由于模型的簡(jiǎn)單化處理，會(huì)極大縮短整個(gè)仿真過(guò)程的計(jì)算時(shí)間。此外，在進(jìn)行設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)證時(shí)，由于船舶左右兩側(cè)完全對(duì)稱，因此可以只對(duì)船舶左舷或者右舷進(jìn)行建模，節(jié)省工作量。

(2) 整個(gè)錨系中由于錨唇、錨臺(tái)等均為非標(biāo)準(zhǔn)間，不同的船型和廠家之間均存在較大的差異，因此對(duì)于此部分非標(biāo)準(zhǔn)件的建模，應(yīng)按照生產(chǎn)廠家實(shí)際生產(chǎn)圖紙建立三維模型，保證仿真數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性。此外，為貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次拉錨仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際定位安裝數(shù)據(jù)。

圖3　錨系布置圖

(3) 在錨唇、錨臺(tái)定位時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝按照水線和肋位線上的四點(diǎn)進(jìn)行定位，確保結(jié)構(gòu)安裝位置正確。圖3為錨系布置示意圖。在錨系各部分和船體艏部分段外板建模完成后，應(yīng)對(duì)各組件進(jìn)行裝配，建立起整個(gè)錨系系統(tǒng)。在部件裝配過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)注意一下幾方面。

(1) 各組件按照船體絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行裝配，確保各組件裝配位置正確。

(2) 在裝配過(guò)程中，應(yīng)對(duì)各組件設(shè)立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)設(shè)置各結(jié)構(gòu)的約束、力、運(yùn)動(dòng)方向等。比如錨鏈各個(gè)鏈環(huán)可以360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此應(yīng)將錨鏈設(shè)置為萬(wàn)向聯(lián)軸器運(yùn)動(dòng)副，雖然實(shí)際拉錨過(guò)程中錨鏈會(huì)有輕微晃動(dòng)，但仿真時(shí)考慮晃動(dòng)對(duì)結(jié)果影響并不大，反而會(huì)極大延長(zhǎng)仿真時(shí)間，因此其運(yùn)動(dòng)方式可以簡(jiǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)；再如錨爪、錨桿、錨卸扣三者之間兩兩連接，且可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此應(yīng)將三者之間的連接副設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)副；再比如錨和錨臺(tái)、錨唇、錨鏈筒之間的約束，應(yīng)設(shè)置為三維接觸約束用以限制錨的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但無(wú)論哪部分結(jié)構(gòu)或是何種連接副，最重要的是從數(shù)學(xué)模型建立及簡(jiǎn)化的方向入手，重點(diǎn)考慮其邊界條件及運(yùn)動(dòng)方程的設(shè)定。

2.2錨系運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)

仿真注意事項(xiàng)有以下兩點(diǎn)。

(1) 在進(jìn)行錨系拉錨仿真時(shí)，應(yīng)根據(jù)船舶拉錨過(guò)程中可能存在的問(wèn)題建立多個(gè)仿真方案，包括正態(tài)、反態(tài)拉錨等多種狀態(tài)。

(2) 拉錨仿真試驗(yàn)中，首先要考慮初始位置和終止位置的設(shè)定。從仿真程度及簡(jiǎn)化計(jì)算兩方面綜合考慮，將整個(gè)錨系的仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為兩部分。第一部分為錨系開(kāi)始運(yùn)動(dòng)至錨桿進(jìn)入錨鏈筒的瞬間位置，第二部分為錨桿進(jìn)入錨鏈筒的瞬間至錨與錨唇完全貼合的瞬間位置。其次，應(yīng)考率仿真過(guò)程的數(shù)學(xué)模型設(shè)置。在第一部分，將整個(gè)仿真過(guò)程數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中若出現(xiàn)碰撞船體外板等干涉狀態(tài)，應(yīng)自動(dòng)提示并停止仿真。在第二階段，設(shè)置為非線性摩擦運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，重點(diǎn)考慮運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)約束，終止位置設(shè)置為錨上升到錨唇最高點(diǎn)的瞬間位置。

2.3仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述注意事項(xiàng)和實(shí)際建模結(jié)果，經(jīng)仿真分析后發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題。

圖4　UG仿真建模結(jié)果和設(shè)計(jì)中錨鏈筒中心線與錨臺(tái)夾角對(duì)比

(1) 錨鏈筒中心線與錨臺(tái)面成角度為55.3°，而設(shè)計(jì)圖紙中該角度為51.5°，存在3.8°偏差。圖4為UG仿真建模結(jié)果和設(shè)計(jì)中錨鏈筒中心線與錨臺(tái)夾角對(duì)比。

(2) 利用UG進(jìn)行拉錨模擬仿真發(fā)現(xiàn)，模擬船左舷錨臺(tái)、錨唇安裝精度良好，沒(méi)有出現(xiàn)卡錨情況，而模擬船右舷錨臺(tái)和錨唇安裝時(shí)，由于錨唇定位結(jié)果不良，整體向上偏移，導(dǎo)致模擬時(shí)出現(xiàn)單爪卡錨現(xiàn)象，如圖5所示。

(3) 根據(jù)模擬的結(jié)果，通過(guò)對(duì)導(dǎo)鏈滾輪位置進(jìn)行調(diào)整后發(fā)現(xiàn)，在錨鏈與錨鏈筒中心成斜向左上方3.7°夾角時(shí)，可有效避免卡錨現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)整后的導(dǎo)鏈滾輪位置，生成導(dǎo)鏈滾輪定位位置，即在原導(dǎo)鏈滾輪定位位置的基礎(chǔ)上，分別在高度方向、尾部方向、船中方向移動(dòng)123 mm、72 mm、539 mm,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

圖5　UG拉錨仿真截圖

3總結(jié)

通過(guò)UG仿真拉錨，實(shí)現(xiàn)了對(duì)31.8萬(wàn)噸級(jí)VLCC船錨系的建模，并對(duì)整個(gè)拉錨過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程的分析，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)鏈滾輪布置位置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際拉錨的一次成功，避免了卡錨現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)本次應(yīng)用，我們認(rèn)為可以通過(guò)UG拉錨仿真系統(tǒng)逐步取消木模試驗(yàn)，將顯著提高錨系生產(chǎn)設(shè)計(jì)效率，節(jié)省建造成本。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：張力(1978-)，男，工程師，從事船舶建造精度管理工作。