基于智能仿真的锚系生产设计技术研究

孙淑侠 刘志强 王 念 彭 尧

（1.武汉船舶职业技术学院湖北武汉 430050；2.江苏科技大学，江苏镇江 212003；3.武昌船舶重工集团有限公司，湖北武汉 430060）

锚泊系统是船舶停泊作业安全可靠的保障[1]，艏部锚系建造过程包括各部件满足多动态约束下非线性运动的布置设计、现场安装多维度曲面定位及船台施焊空间闭塞狭窄三大难点[2][3]，涉及多个相互制约和关联的关键要素，且锚系所处空间位置复杂、工作状态多变，在船舶建造过程中有着相当重要的地位。常规建造方法是设计人员根据设计手册及个人经验进行方案设计，并用比例木模放样拉锚试验进行反复验证和修改来减小实船安装的风险，最终获得锚系设计布置图和各结构件加工安装图，指导船台锚系结构和设备安装，进行实船船台和水下拉锚试验来验证锚系安装结果，根据结果进行现场调整修改最终获得合理的锚系收放和收藏效果。

这种常规方法经常出现的问题有以下几个：

（1）锚系初始方案设计的精准性一定程度上依赖设计人员的个人经验，经验不同可靠性不同。

（2）木模材质、比例缩放的失真性较大，无法完全体现锚收放过程中的翻转、运动、卡阻和刮擦现象，只能获得相对较好的收放和收藏贴合效果。

（3）木模制作及拉锚试验周期长、精度差，使得提前锚系船台安装工序到分段进行一直不能有效实施，且木模制作人工和物料整体成本较高。

（4）船台安装存在施工空间狭小密闭、仰位施焊以及大飘度外舷侧三维定位等难点。

（5）实船船台和水下反复拉锚验证，导致船台和水下建造周期长。

为解决上述问题，以1500吨科考测量船为例，借鉴近年越来越多领域应用智能仿真技术优化设计并通过智能仿真对设计方案进行评估的做法，利用计算机智能仿真技术进行锚系设计布置及拉锚试验，验证锚系多维度空间合理性可视化布置，还原实船安装和操作环境，提高布置精准性，减少设计和试验时间，同步分段建造，实现锚系工序前移到分段安装，达到优化船舶建造工艺的目的。

1 锚系设计生产流程

船艏锚系一般由锚、锚链、锚链筒、锚唇（或锚穴）、导链滚轮、掣链器、锚机、锚链管、锚链舱和弃锚器等主要设备组成[4]。锚系设计及生产具体可分为初始参数选算、部件规格设计、锚系布置设计、放样拉锚验证和锚系实船安装五个步骤，（详见图1）锚系设计生产流程图，这是采用各种方法进行锚系设计的基础。

图1 锚系设计安装流程图

2 锚系智能仿真技术的应用

当前，计算机仿真技术在船舶行业得到了广泛应用，船舶锚系设计逐渐从计算机辅助设计（CAD）过渡到计算机辅助工程分析（CAE）[5-6]。所选锚系智能仿真技术是一款基于unity平台进行二次开发的国产化船舶锚系设计专用软件，在三维环境中建立船体锚系模型样机，转入CAE运动仿真分析模块，能够通过智能计算、分析和仿真进行船舶锚系的初始参数选算、部件规格选算、锚系布置设计和放样拉锚验证，最终导出锚系二维CAD 图纸供实船生产安装使用。以下是针对1500 吨科考测量船锚系设计应用智能仿真技术的总结和分析。

2.1 初始参数选算

智能仿真系统中内置了舾装数算法及初始参数选取规则，输入船舶定级、主尺度及锚系设计相关参数，即可得出舾装数，并推荐初始参数，设计人员只需根据一些特殊情况进行调整即可。1500吨科考测量船入级CCS，是一艘具有近海和深远海航行与多功能作业能力的无限航区综合性海洋科考测量船，经常海上抛锚泊船作业，锚泊系统收放作业较为频繁，因此对锚系布置设计及安装效果要求更高。该船用于锚系参数设计的主尺度及相关计算参数（如下表1）。

表1 主尺度及相关计算参数

根据CCS 相关规范的舾装数算法（N=Δ2∕3+2Bh+A∕10），输入上述参数，得出舾装数为N=522，对应规范给出的500＜N＜550 一栏[7]，但考虑到船东提出的本船未来会加装科考设备的计划，锚泊设备放大两档选取，故设计人员人为将舾装数调整到对应600＜N＜660一栏，根据规范锚泊设备选型表系统自动选取锚系初始参数，结合船东抛锚习惯和船舶无限航区，确定最终初始参数，如下表2。

表2 锚系初始参数

2.2 锚系部件设计

根据初始参数，智能仿真系统的锚泊设备计算程序可算取锚系各主要部件关键规格尺寸数值或推荐范围，如锚链舱的容积，锚链管的直径、壁厚，锚机链轮直径、工作负荷，锚链筒的直径、壁厚、长度等；可选取相应标准件规格，如导链滚轮、掣链器、弃锚器、锚链舱眼环等。根据参数范围，设计人员依据船舶结构情况和备用材料规格做具体选择，试验船锚系主要部件规格尺寸数值（如下表3）。导链滚轮、掣链器、弃锚器、锚链舱眼环等标准辅助部件与锚链直径相关，规格系统自动选取。

表3 锚系主要部件规格尺寸数值

2.3 锚系部件布置

锚系布置需要考虑的因素较多，人工手动进行锚系布置经常要耗费较大精力和时间，常常顾此失彼，不能兼顾，智能仿真系统用强大数据库做支撑，可以轻松实现同时满足制约和关联条件。导入已经建好并经过光顺的船体分段模型，再加载锚系部件模型即可。试验船艏部尖狭，位置紧凑，故选用两台单侧式锚机和滚轮闸刀掣链器，系统根据锚机类型和锚系多个相互制约和关联的关键要素进行智能布置，获取锚机链轮中心和锚链筒上下中心位置[7]。利用标准件模型库加载并定位锚机、滚轮闸刀掣链器等标准件模型，再进行锚链筒结构、锚唇结构及锚链管结构的非标件建模。

对于锚链管、锚链筒、锚唇、锚穴及锚台等结构非标件的建模和加载定位，设计人员可通过专门的建模设计模块快速准确完成。锚唇是其中相对复杂的部件，系统将锚唇线型进行多个横截面串联，横截面参数的不同构成了锚唇线型的变化，如下图2，锚唇内孔为锚链筒在外板上的开孔，由锚链筒模型建立后自动生成。模型加载定位后，可通过多维度旋转、缩放等检查并调整各部件的干涉、锚唇与外板贴合以及内圆与锚链筒光顺过渡等情况。

图2 锚唇型线及虚拟样机模型

最后，导入锚链和锚的模型，利用锚系自动装配定位功能，点击已定位部件的关键点，确定锚链走向，并确保锚杆中心线方向和锚爪与锚杆的40°夹角；然后微调锚唇参数，获得满足锚爪与锚杆的夹角卡位以及锚爪与锚唇顶部贴合良好的锚唇形状，至此，仿真拉锚模型全部布置到位。

2.4 拉锚仿真试验

实际上，仿真拉锚和布置是交替进行来获取最终精准良好的锚系布置的，这一点与木模放样拉锚试验是类似的，只是比木模放样要快速的多，不需要放样人员和物料，设计人员自行完成即可。锚系布置装配完成后，设置锚系驱动链及转动关系，进行拉锚仿真模拟试验。基于三维模型和虚拟样机，智能仿真模拟拉锚可以清楚地看到拉锚过程中锚系的运动、外板和球鼻艏间距、锚收放时进入锚链筒的翻转、锚和锚唇的贴合情况等锚系运动状态，查看任意角度、任意节点的实体剖面情况，提示出现的刮擦卡位现象和调整方向。达到合理效果后，检查锚唇各剖面尺寸、锚链筒尺寸、锚链筒上下开口定位等参数，输出二维CAD放样图、布置图和全方位仿真视频，供现场生产使用。

起锚动力学分析：锚链从水中提升起来到收回到锚链舱中这个过程，属于质量增加情况下的变质量动力学问题。假设提起的锚链部分的质量为m，随着拉锚过程，锚链提起的质量不断增加。在锚机拉力F1、拉起的锚链的重力G1、锚链受水的力F2，假设锚链环是均匀密度ρ，得方程

在拉锚过程中，分别对恒拉力（根据规范计算为209438.25N）和恒速度（10m/min）下起锚运动进行仿真分析，结果如图3所示。

图3 横拉力和恒速度分析结果

试验船初次进行仿真拉锚动态模拟时锚在经球鼻艏上升、锚杆接触锚唇和进入锚链筒阶段都没有问题，但锚爪接触锚唇并进行贴合翻转时出现卡阻现象（可见图5 木模拉锚试验和仿真拉锚试验对比）。通仿真系统多维度剖解演示，发现锚杆不在锚链筒中心位置，需要减小锚链筒中心线与垂线的夹角。修改后进行仿真拉锚动态模拟，实现船锚上升、锚爪翻转、接触锚唇、沿着锚唇滑动、与锚唇贴合一系列动作，最终锚座及两个锚爪都与锚唇紧密贴合，形成三点定位的稳固受力状态，如图4。调整锚不同的初始平衡位置并改变收放锚速度，反复多次验证，锚均能顺利收入和放出锚链筒，智能仿真锚系布置及拉锚动态模拟试验完成。

图4 锚与锚唇贴合正视、侧剖视图

3 木模拉锚与仿真结果对比验证

为了验证智能仿真拉锚系统的可行性和准确性，将试验船的智能锚系三维模型布置导出锚系二维CAD 图纸，包括初始锚系布置图和仿真拉锚修改后的布置图，按照智能仿真系统锚系布置和拉锚试验的过程进行木模制作和木模拉锚试验。木模船体分段及锚链筒、锚唇等部件首先按初始锚系布置装配后进行木模拉锚试验，结果出现与智能仿真系统初次拉锚状况同样的卡锚现象，如下图5。

图5 木模与仿真拉锚卡锚位置对比

按照智能仿真系统修改过程进行木模修改，重新进行木模拉锚试验，拉锚过程和贴合效果与智能仿真拉锚一致，如图6，从而验证了智能仿真拉锚技术是可靠和准确的。

图6 木模与仿真拉锚贴合情况对比

4 锚系分段安装及拉锚试验

智能仿真锚系布置及拉锚仿真试验提升了锚系生产设计的精准性和快速性，使安装时机能够跟上船体分段建造的节点，从而可以实现锚系安装工序前移到分段进行，分段时期的敞开结构能够有效改善施工空间和环境，尤其是斜插构件锚链筒和在曲率外板安装的锚唇的装焊难度大大降低，变仰焊为平焊，安装空间增大，使安装工艺简化，建造精度提高。施工时除参照图纸外还可以随时多角度观看虚拟仿真视频中各部件的定位和结构关系等，重点需要确保锚链筒上下出口定位及开孔准确并控制装焊焊接变形[8]。除了锚链筒部件和锚唇部件外，锚机基座、锚链管部件、锚链舱眼环及弃锚器等均在分段阶段安装，安装空间和环境好，且减少船台周期。但导链滚轮掣链器需要等船台上安装锚机、锚链和锚等设备后进行安装调整。

试验船锚机为电动锚机，供电后拉锚试验即可在船台进行，实船拉锚试验首次成功，通过多次试验，抛收锚过程流畅顺利，无卡阻和刮擦现象，锚收起后与锚唇贴合紧密，固定牢固。

在船舶下水后的系泊试验和海上试验中，又进行了多次反复快慢收抛锚试验，效果均和船台首次拉锚试验一致，效果良好，最终完成的实船锚系安装情况如下图7。

图7 实船锚和锚唇贴合良好

5 结论

（1）应用锚系智能仿真技术，可视化锚系多维度空间布置，还原实船安装和操作环境，提高布置精度，缩短设计和验证周期，优化了船舶生产设计。

（2）通过木模放样还原智能仿真的问题过程和解决过程，验证了智能仿真技术的可行性和准确性。

（3）缩短了船台建造周期，实船拉锚一次成功，后经船台和水下多次拉锚试验，成功率100%，提升了船舶建造精度。

（4）随着智能造船技术的发展，锚系智能仿真和分段安装技术将为精度造船、绿色造船和智能造船提供有效技术支持。