锚系计算机辅助模拟试验与锚唇生产设计

1、5000 Cars PCTC拉锚计算机模拟试验与锚唇生产设计 总结报告联系人地址：刘志强 江苏科技大学机械与动力工程学院（江苏省镇江市梦溪路2号，212003）E-mail: liuecsi 研究方向：船舶舾装设计及制造装备、船舶企业信息化技术研究与应用江苏科技大学现代设计技术研究所2011.1.20辑 要本研究从提高效率和减少成本角度出发，利用计算机模拟实验技术对5000 Cars PCTC拉锚试验问题进行了深入研究，实验的目的是确定锚链管与船体中线面的夹角以及与基线面的夹角是否合适，锚唇贴合状态以及收放锚是否合理。锚系统的设计和选型都是凭经验完成的，特别是锚台及锚唇的设计，对每一艘船舶都有

2、不同的使用要求，因此其尺寸、形状和布置均会有所差异，需要通过模型拉锚试验来检验设计结构的合理性。如何迅速解决锚唇的设计与试验，是船舶企业面临的紧迫问题。大抓力锚是大吨位船舶的优选设备，因其重量小、抓力大等优点被国内外船东所认可。大抓力锚重心是在转轴之上，所以锚唇的设计很重要，不然有可能会导致锚收紧的时候不能跟锚唇贴合。目前，我国船舶大抓力锚锚唇和锚台的设计很多情况是委托国外企业或院所，不仅使船舶造价增加，还造成交船期不能保证，造船企业市场竞争力下降。首制船在设计锚系布置图时，图纸中一般都要求做拉锚模型试验。一般都是把锚和锚台、锚唇或锚穴按照一定比例缩小，制作模型，做实验。虽然现在许多船厂从成本

3、和时间的角度，已不做了。但如万一有问题，后期的修改工作量巨大，现场花费的人工费用、钢板材料费、生产进度的损失等消耗也是一个不小成本。 另外，由于打住大抓力锚的重心位置较高，锚爪更易内翻。对于它的锚系布置要多加注意，所有的锚在实船起锚时，都会发生锚爪内翻的情况，这就是要求在做拉锚模型试验时，将锚爪人为设置为内翻的情况以校核锚系布置。本研究运用UG实现了5000 Cars PCTC锚系三维模型的虚拟设计和虚拟装配，并利用UG的motion模块对锚系起锚运动和锚-锚唇贴合状态进行了计算机仿真试验研究。此项技术可以代替制作木模进行模拟拉锚确定设计方案的方法，提前预示实际安装时贴合不合理的情况出现，具有

4、节省成本、减少工期、便于修改设计的优点，是值得在船舶行业推广使用的技术。0 引言 船舶收放锚的运动轨迹是一个十分复杂的过程，是影响船舶航行安全非常重要的项目，若锚链筒和锚唇的设计与锚系选型匹配不当，当锚在被拉紧之前可能出现的异常情况以及导致的不良影响。目前国内各船厂采用的方法是通过反复制作木模进行拉锚试验，根据试验结果对锚链筒、锚台和锚唇的位置和形状进行修正，直达到理想的效果。每次调整设计结果后，都必须重新制造木模，要消耗大约五立方米的木材和大量的人力和时间。因此，采用虚拟样机技术确定锚链筒的位置和锚唇形状，从而摆脱拉锚试验，其经济效益是可观的。如何提高锚系的优化选型及锚唇的结构优化设计的效率

5、，是当前船舶锚系方案设计所面临的重要问题。本研究根据当前船舶锚系生产和设计中所存在问题的基础上，利用UG软件提供的强大的辅助设计和分析功能作为仿真开发平台。在建立三维模型的基础上，采用虚拟样机仿真技术，并以5000 Cars PCTC的锚系为例，对大抓力锚和锚唇的贴合状态进行CAE运动仿真试验研究，根据计算机仿真分析结果修改锚系设计，从而代替制作木模进行模拟拉锚确定设计方案。 传统锚唇设计与木模实验图 计算机虚拟仿真拉锚实验流程图1 5000 Cars PCTC锚系虚拟样机的建立本文选用UGS PLM Solution 公司的UG NX软件建立机构的三维模型，先对组成5000 Cars PCT

6、C锚系的锚-锚链-锚唇的主要特征进行分析，并根据锚唇初步方案设计的结构尺寸，以及选用的锚及锚链尺寸，在UG中利用CAD模块建立零件精确的三维实体模型，然后在UG中利用装配模块完成5000 Cars PCTC锚-锚链-锚唇-船艏的装配，最后转入CAE运动仿真分析模块对其进行运动和贴合状态仿真分析。1.1 三维几何模型的建立其中大抓力锚为外购件，根据供应方提供的工程图进行三维建模，并对锚链筒、锚唇、船艏三维建模，目的是在船艏上确定锚链筒安装位置。如图1所示，（a）为平面布置图，（b）为三维装配图。 （a）平面布置图 （b）三维装配图- 锚机，-锚链，-锚链筒，锚台，-大抓力锚，-锚唇，-锚链管（c

7、）三维装配图图1锚系平面布置图和三维装配图5000 Cars PCTC建模过程几点说明：（1）由于船舶采用单件或小批量定单方式生产,每艘船的船型各不相同,考虑到仿真系统只和船艏部分产生干涉,因此只需对每艘船的船艏部分进行三维建模。（2）目前锚制造企业很多,尽管锚的设计及制造已制定了很多规范和标准,但在国家及行业许可范围内,各厂家实际制造的锚在形状、尺寸上还存在着较大的差异,甚至在拓扑结构上也有不一致的地方。因此,我们有必要根据各配套厂家提供的实际图样进行三维建模,以避免后期在运动仿真过程中发生与实际不相符的情况。（3）要实现5000 Cars PCTC锚唇的三维参数化建模,首先必须对其几何拓扑

8、结构作详细分析。在对大量已有锚唇研究分析前提下,再对锚唇的拓扑结构进行归纳和总结，并根据各截面上的曲线形状对其进行全参数化建模，以便在以后的拉锚试验中,如发现不吻合或其他问题,可直接调整相关的参数,再次进行拉锚仿真试验。1.2多刚体运动学和动力学模型UG中嵌入的ADAMS求解器将多刚体系统分为：部件、约束、力和自定义部分，并为其中每一个部件建立6个一阶动力学方程（建立力和加速度关系）和6个一阶运动学方程（建立位置与速度的关系），为每一个约束列出若干代数约束方程（方程的数目与其限制的自由度数目相同），并提供多种力的特性。锚-锚链组成一个开式的空间运动链，对每个组成运动的刚体建立广义坐标系下的拉格

9、朗日方程和相应的约束方程如下： （1）=0（m） （2）式（1）、（2）中：-动能；-描述系统的广义坐标；-描述系统的约束方程；-在广义坐标方向的广义力；-m×1的拉格朗日乘子列阵。运动仿真过程就是不断求解上述方程的过程，UG中嵌入的ADAMS求解器中提供了两种线性代数方程求解方法：CALAHAN方法与HARWELL方法，CALAHAN方法不能处理冗余约束问题，HARWELL方法可以处理冗余约束问题，CALAHAN方法速度较快。对于非线性代数方程，则采用修正的ewton-Raphson迭代算法进行求解。对式（1）、（2）可采用降阶的方式进行求解此微分方程组。2 锚系运动仿真试验流程锚

10、系运动仿真主要目的为：一是检测起锚后锚在上升过程中是否和船体碰撞，我们称之为起锚仿真检测；二是检测锚唇的设计是否合理，锚在收紧后能否很好地与锚唇贴合，以避免船舶运动过程中产生晃动及碰撞，我们称之为锚唇贴合仿真检测。图2 船舶锚-锚唇贴合状态仿真试验分析流程船舶锚系运动仿真试验一般流程如图2所示，仿真注意事项为：（1）在建立锚系运动分析场景时，需在运动分析模块中自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的锚系运动分析方案。每个锚系运动分析方案均可独立修改，而不影响锚系装配主模型。一旦完成优化设计方案，就可直接更新装配主模型以反映优化设计的结果。起锚仿真检测运动的初始位置设定在锚位于船艏以下，终止

11、位置设定在锚杆即将进入锚链筒的瞬间位置。在此运动过程中，锚基本上是沿直线垂直上升，有轻微的摆动和转动。如果在运动过程中出现干涉碰撞，系统将自动提示并停止运动仿真，可调整相关参数后再次仿真，直到获得理想的结果。锚唇贴合仿真检测运动的初始位置设定在锚杆即将进入锚链筒的瞬间，终止位置设定在锚与锚唇贴合运动停止时的位置。（2）在构建5000 Cars PCTC锚系运动分析物理模型时，需设置每个构件的特性，设置两个构件间的运动副和添加载荷。利用UG的CAE模块设置锚-锚链和锚爪-锚杆-锚卸扣零部件之间的链接、设置运动副类型、创建三维接触方式、创建力、设置重力方向。其中设置锚链为万向联轴节方式的运动副并且

12、整体做平动，即整条链条按恒定的速度（由锚机带动）沿锚链筒斜向上运动进行分析；设置锚爪-锚杆-锚卸扣三者两两之间为转动副；设置锚与锚链筒、锚唇、锚台和船体的三维接触约束（限制运动的约束）；设置锚链与锚链筒、锚唇的三维接触约束，锚杆与锚冠的三维接触约束，以及锚爪、锚冠与锚唇的三维接触约束。3 5000 Cars PCTC锚系锚唇贴合仿真试验结果分析3.1 分析结果（详细仿真录像另附）5000 Cars PCTC选用抓重比大的大抓力锚，起锚过程中，锚在与锚唇贴合时候锚爪有旋转的过程。图3和图4分别是利用UG/MOTION运动仿真得到的最后贴合状态侧面和正面图，从图上可以看出,锚爪和锚唇贴合状态良好,并且运动过程中能逼真呈现实际起锚到贴合的整个过程运动情况。同时,在接近贴合的时候,能清楚仿真翻锚爪的功能。如果锚唇设计或者锚链筒设计的不好，则会出现卡锚或者贴合状态不符合。后面进行修改设计时候，可以利用UG的主模型的概念，在CAD模型中进行修改，然后重新进行仿真。 图3 锚唇贴合状态侧面 图4 锚唇贴合状态正面 3 生