趙振華 ， 陶冬明 ， 林桂霖 ， 劉志強(qiáng)

(1.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海201913； 2.江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

錨系作為船舶系泊和安全航行的關(guān)鍵裝置，一直是船舶設(shè)計(jì)方、建造方、船舶所有人及船級(jí)社比較重視的項(xiàng)目。新一代極地破冰船兼具了綠色環(huán)保與高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，具備艏艉雙向沖撞破冰和動(dòng)力定位能力。錨系設(shè)備是船舶控制不可或缺的甲板機(jī)械裝置，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響船舶的安全。

新一代極地破冰船無(wú)限航區(qū)的性能要求導(dǎo)致其錨泊和定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高。由于錨裝置的設(shè)計(jì)是空間幾何曲面和多動(dòng)態(tài)力(接觸碰撞力、錨絞機(jī)拉力、重力)約束下的非線(xiàn)性多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，目前缺少精確的解析設(shè)計(jì)方法[1-2]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是通過(guò)基本型類(lèi)推進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，然后采用木?；蜾撃＿M(jìn)行拉錨試驗(yàn)。采用的錨穴設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)建造過(guò)程中出現(xiàn)錨座碰撞船體外板、起錨收入時(shí)錨碰撞錨穴壁板、起錨收入過(guò)程不通暢等情況。為了改進(jìn)邊錨裝置的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行反復(fù)修改和試驗(yàn)驗(yàn)證才能確定最終設(shè)計(jì)方案，帶來(lái)的問(wèn)題是設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)成本高[3-4]。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)加實(shí)物模型試驗(yàn)方式的固有特點(diǎn)造成設(shè)計(jì)初期難以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，且不能滿(mǎn)足新形勢(shì)下的快速設(shè)計(jì)修改、快速驗(yàn)證的新需求。若采用低成本的縮小比例木模，則不能完全分析出實(shí)船狀態(tài)。木模的密度、質(zhì)量、摩擦系數(shù)與實(shí)際偏差太大，木模試驗(yàn)精度也不能準(zhǔn)確而完全地反映出錨的微小結(jié)構(gòu)情況，致使錨系相關(guān)結(jié)構(gòu)特征不能很好地發(fā)揮性能。若采用1∶1鋼模進(jìn)行試驗(yàn)，雖然能滿(mǎn)足實(shí)際的模擬要求，但是成本高、建造周期長(zhǎng)，仍然不能達(dá)到設(shè)計(jì)過(guò)程中需要的快速修改要求。

隨著數(shù)字化造船的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD)技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)具有廣泛應(yīng)用：可在三維交互設(shè)計(jì)環(huán)境下完成船舶錨系各組件的三維實(shí)體建模，并組裝孿生數(shù)字虛擬樣機(jī)；在此基礎(chǔ)上完成對(duì)船舶錨系各組件的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)與接觸狀態(tài)的仿真評(píng)估；依據(jù)評(píng)估結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)的早期階段驗(yàn)證錨系性能，從而實(shí)現(xiàn)降本增效，并顯著提高錨系設(shè)計(jì)質(zhì)量。采用三維交互設(shè)計(jì)和拉錨動(dòng)力學(xué)分析，從開(kāi)始三維建模到整個(gè)拉錨仿真試驗(yàn)完成，只需約1～2周，而木模試驗(yàn)或鋼模試驗(yàn)需要1個(gè)月以上。在修改后再試驗(yàn)方面則更為突出：當(dāng)遇到問(wèn)題需要修改錨唇截面尺寸、重新進(jìn)行拉錨試驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬3 h左右能完成修改設(shè)計(jì)的快速驗(yàn)證，而木模或鋼模約需1周。

1 錨系三維交互設(shè)計(jì)及拉錨試驗(yàn)仿真技術(shù)

錨系三維交互設(shè)計(jì)和起拋錨仿真流程如圖1所示。首先，根據(jù)船廠(chǎng)提供的圖紙——船首線(xiàn)型圖、錨設(shè)備圖、錨臺(tái)(錨唇)或錨穴結(jié)構(gòu)圖及錨系布置圖，使用交互式參數(shù)化自動(dòng)建模，完成船首、錨鏈筒、錨穴(錨臺(tái)-錨唇)、錨、錨鏈、導(dǎo)鏈滾輪(掣鏈器)的三維實(shí)體建模。在此流程中，錨構(gòu)件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以一般通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用對(duì)應(yīng)廠(chǎng)家不同規(guī)格的錨。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)船舶錨系裝配定位工具完成交互式裝配。最后，通過(guò)虛擬起拋錨仿真，在運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)、精度和仿真時(shí)間匹配設(shè)置的基礎(chǔ)上開(kāi)展求解計(jì)算，并輸出錨系組件運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、軌跡與貼合狀態(tài)。錨系動(dòng)力學(xué)分析的整個(gè)流程：從初始的幾何模型到動(dòng)力學(xué)模型的建立，經(jīng)過(guò)對(duì)模型的數(shù)值求解，最后得到分析結(jié)果。錨系設(shè)計(jì)分析主要包括建模和求解兩個(gè)階段。

圖1 錨系三維交互設(shè)計(jì)和起拋錨仿真流程

1.1 錨系初始布局及三維幾何建模

針對(duì)錨系裝置設(shè)計(jì)面臨的約束，開(kāi)始初始設(shè)計(jì)，包括定位錨鏈筒角度、錨鏈筒開(kāi)口位置、錨唇-錨臺(tái)或錨穴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。錨系三維設(shè)計(jì)與模型建立是交互設(shè)計(jì)與性能仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)，既需要具備導(dǎo)入船體、錨系布置、錨鏈筒、錨穴或者錨臺(tái)-錨唇二維設(shè)計(jì)圖紙生成三維模型的能力，也可輸入?yún)?shù)尺寸完成交互式設(shè)計(jì)與三維建模，并實(shí)現(xiàn)錨鏈筒、錨臺(tái)-錨唇或錨穴尺寸位置驗(yàn)證功能。

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)的錨系輔助設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)展交互錨系布局設(shè)計(jì)。錨系的主要設(shè)計(jì)是指建立非標(biāo)件的設(shè)計(jì)模型，并作為仿真模型的輸入。錨系數(shù)字化建模中的幾何模型與錨系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，是后續(xù)一系列過(guò)程進(jìn)行的基礎(chǔ)。

此外，在錨系標(biāo)準(zhǔn)件建模方面，錨系三維交互設(shè)計(jì)具備錨、錨鏈、導(dǎo)鏈滾輪(掣鏈器)等標(biāo)準(zhǔn)件自動(dòng)建模能力，通過(guò)輸入相應(yīng)規(guī)格參數(shù)，可直接生成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件。錨鏈及錨標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)用起拋錨動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)自建的重用庫(kù)及標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。

1.2 錨系裝配定位及孿生虛擬樣機(jī)模型構(gòu)建

在錨系各組件完成三維交互設(shè)計(jì)與三維建模之后，可以構(gòu)建數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)。通過(guò)對(duì)錨系各組件的位置進(jìn)行自動(dòng)裝配定位，定義起拋錨初始狀態(tài)。利用CATIA三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特征定位功能、裝配定位功能，定位標(biāo)準(zhǔn)件與其他零件的位置關(guān)系，開(kāi)展錨系裝置裝配，并建立三維虛擬樣機(jī)。錨系動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)已經(jīng)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立相對(duì)應(yīng)的參數(shù)傳遞，建立了尺寸鏈接關(guān)系。錨系三維交互設(shè)計(jì)具備對(duì)錨系起拋錨進(jìn)行全程運(yùn)動(dòng)分析的功能，可輔助設(shè)計(jì)人員不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。

1.3 錨系動(dòng)力建模及起拋錨運(yùn)動(dòng)分析

在數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)建模基礎(chǔ)上，可以完成后續(xù)的起拋錨性能仿真評(píng)估，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析可以：輸出錨系組件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、各組件的運(yùn)動(dòng)軌跡、各組件配合與接觸碰撞形態(tài)；輸出動(dòng)態(tài)起拋錨過(guò)程下錨位置與船體球鼻艏的距離；輸出錨的翻轉(zhuǎn)、接觸碰撞、耦合與貼合狀態(tài)；自定義關(guān)鍵接觸部位位置、接觸漸進(jìn)過(guò)程的細(xì)節(jié)剖視和透視狀態(tài)。此外，在靜態(tài)錨收藏狀態(tài)下可以給出與錨穴各板的距離、校核錨與錨臺(tái)-錨唇或錨穴的接觸點(diǎn)。

拉錨仿真內(nèi)容和流程如圖2所示，包括錨系動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算、設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證評(píng)估與優(yōu)化模塊。動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算包括錨系運(yùn)動(dòng)組件設(shè)置、組件鏈接設(shè)置及仿真系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的添加，然后設(shè)定接觸連桿間的摩擦系數(shù)，最后設(shè)定解算方案屬性中的重力與解算誤差參數(shù)。仿真分析方案分別對(duì)錨系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，包括球鼻艏防碰撞距離安全檢測(cè)，錨-錨鏈接近錨唇或錨穴過(guò)程中的翻轉(zhuǎn)過(guò)程檢測(cè)、錨爪貼合過(guò)程檢測(cè)等3個(gè)方面。

圖2 拉錨仿真內(nèi)容和流程

數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)性能仿真可以模擬出是否存在卡錨狀態(tài)、錨是否碰撞球鼻艏或船體外板，并可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反饋錨與錨唇或錨穴、錨桿與錨鏈筒、錨鏈與導(dǎo)鏈滾輪(掣鏈器)等位置的接觸情況。對(duì)于異常情況，可以交互修改錨鏈筒設(shè)計(jì)角度、錨臺(tái)面設(shè)計(jì)角度及錨唇型線(xiàn)參數(shù)，并可在交互設(shè)計(jì)與建模模塊實(shí)現(xiàn)快速更改模型，更新數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)，重新仿真模擬起拋錨過(guò)程，不斷改進(jìn)優(yōu)化錨系設(shè)計(jì)參數(shù)，迭代優(yōu)化直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)性能仿真及多體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，研究拉錨過(guò)程中錨的翻轉(zhuǎn)情況及碰撞分析。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬拉錨結(jié)果，對(duì)錨臺(tái)以及錨唇做出相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證錨鏈?zhǔn)掌疬^(guò)程的順暢以及錨收起后與錨唇的貼合狀態(tài)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)錨泊動(dòng)力學(xué)仿真，可對(duì)比分析不同起錨或拋錨工況下多種錨系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析不同設(shè)計(jì)方案：可得到拉錨過(guò)程中的貼合和接觸情況的對(duì)比評(píng)估，錨與船體碰撞接觸點(diǎn)量化對(duì)比，拉錨試驗(yàn)中內(nèi)部剖開(kāi)細(xì)節(jié)展示，拉錨試驗(yàn)中貼合點(diǎn)、間隙等細(xì)節(jié)量化；可分析橫傾、縱傾情況下船舶晃動(dòng)狀態(tài)及錨系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)錨系拉錨過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，模擬拉錨過(guò)程中錨爪翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖3所示；驗(yàn)證錨臺(tái)-錨唇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合相應(yīng)錨型特點(diǎn)，如圖4所示：邊錨起錨安全距離為距船體最近點(diǎn)約1 987 mm，距離較安全，在船體縱傾5°、橫傾3°以?xún)?nèi)，不會(huì)發(fā)生碰撞球鼻艏的情況。

圖3 拉錨過(guò)程中錨翻轉(zhuǎn)和收藏的動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖4 起錨時(shí)距船體的安全距離檢測(cè)

2 錨系快速交互設(shè)計(jì)更改和生產(chǎn)工程圖輸出

若設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，計(jì)算機(jī)可模擬檢查出錨被卡住、碰撞外板、錨與錨穴或錨桿與錨鏈筒接觸等異常狀態(tài)。如圖5和圖6所示，第1.3節(jié)三維拉錨運(yùn)動(dòng)模擬仿真分析結(jié)果可呈現(xiàn)出貼合問(wèn)題，若錨-錨穴等不貼合，可量出偏差，若刮擦碰撞可測(cè)量接觸位置，為下一步修改提供依據(jù)。若在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上出現(xiàn)翻錨、錨貼合不佳、錨桿進(jìn)入錨鏈筒時(shí)碰撞內(nèi)壁等情況，需對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。針對(duì)遇到的異常翻錨與貼合狀態(tài)，可在AutoCAD中修改原錨系設(shè)計(jì)圖，并在建模模塊中對(duì)錨鏈筒中心線(xiàn)角度和錨唇外形尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)修改，依次進(jìn)行重復(fù)對(duì)比仿真，直到設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，并針對(duì)滿(mǎn)足要求的結(jié)果生成相關(guān)模型工程圖。若設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范則修改初始設(shè)計(jì)，重新開(kāi)展仿真分析。利用測(cè)量誤差，結(jié)合原三維模型，在CAD軟件中進(jìn)行響應(yīng)模型修改，再重新進(jìn)行模擬仿真，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能的便捷代替木模試驗(yàn)的繁瑣，從而節(jié)省工作成本。如圖7所示，導(dǎo)出工程圖，包括錨系布置圖、錨穴設(shè)計(jì)圖、錨鏈筒展開(kāi)圖、錨臺(tái)樣板圖、錨唇剖面圖和錨臺(tái)展開(kāi)圖等。

圖5 錨桿與錨鏈筒接觸情況

圖6 錨尖與錨穴板間隙

圖7 錨系工程圖輸出

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3 結(jié) 論

錨系數(shù)字化交互設(shè)計(jì)依據(jù)原錨系設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行1∶1實(shí)際比例三維建模，通過(guò)設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行零部件精準(zhǔn)裝配，設(shè)定切合實(shí)際的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)字化模擬試驗(yàn)仿真。通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)結(jié)果，可直觀(guān)評(píng)估拉錨過(guò)程中錨的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)及最終貼合狀態(tài)，并可進(jìn)行誤差測(cè)量分析，快速得到交互響應(yīng)，針對(duì)結(jié)果中的問(wèn)題在模型中做出對(duì)應(yīng)修改，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。此方法利用計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真代替木模試驗(yàn)法，達(dá)到快速響應(yīng)、節(jié)省設(shè)計(jì)成本的目的，有效提高設(shè)計(jì)工作的效率。結(jié)果表明，基于拉錨虛擬仿真的錨系交互設(shè)計(jì)技術(shù)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維設(shè)計(jì)與木模試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)的早期階段就可實(shí)現(xiàn)評(píng)估整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程接近實(shí)際船舶錨系拉錨運(yùn)動(dòng)工況，為錨系設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供可靠手段。