一种锚系设计方法与流程

1.本发明涉及锚及锚泊系统领域，特别涉及一种锚系设计方法。


背景技术：

2.锚泊系统是船舶系统的重要组成部分，其安全性及可靠性对船舶的安全运营起着非常重要的作用，为了保证建造的船舶在使用过程中操作的顺利性，在船舶设计和建造过程中，需进行锚泊系统的拉锚试验。
3.目前，船舶的设计实验过程为：首先，设计人员使用二维cad进行锚泊系统设计，然后根据二维图纸按一定比例缩小制作木模，通过木模拉锚实验进行设计验证，根据木模实验的结果对锚链筒和锚唇的形状及位置进行修正和调整，每次修正和调整后，都需要重新制作木模并反复进行木模拉锚实验，直到木模拉锚实验满足要求，从而确保根据设计方案建造的锚泊系统符合要求，使实际运营时船舶能正常运行。
4.但是，木模拉锚试验制作的木模为包含船体外板、锚链筒、锚台和锚唇的锚箱，以及按比例定制的试验所需的锚等。木模需要根据实船用木料按特定比例制作，制作周期长，导致拉锚试验需要耗费大量的人力和物力，且效率较底。而且，木模还有以下明显的缺点：(1)按一定比例缩小，采用手工制作的木模，与实际的锚的状态存在一定的偏差，如重心位置的偏差，影响实验的准确性；(2)用木料制作的木模与用钢铁材质建造的船舶的的材料性质存在较大差异，例如，木材与钢材的摩擦系数及重量的不同引起摩擦力的差异，可能会导致木模实验无法完全模拟出实际的运动状态；(3)木模试验一般都需要反复进行多次，后一次木模根据前一次的结果进行修改，木模难以制作，势必造成设计周期的增加；(4)由于二维锚泊系统设计比较难发现零件相互干涉的问题，木模试验中实验很多地方展示并不直观，使得常规木模试验人员和锚系设计人员都需要有丰富的经验才能发现实验中潜在问题。因此，木模拉锚实验存在明显的缺点，造成了大量人力、物力的浪费，且效率较低。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种锚系设计方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种锚系设计方法，包括以下步骤：
7.步骤一、根据锚系设计方案，进行三维建模，分别得到船体主结构、锚泊系统和锚的三维模型；
8.步骤二、将船体主结构、锚泊系统和锚的三维模型进行装配并定位，得到组装好的实验三维模型；
9.步骤三、对组装好的三维模型的各部件的物理参数进行设置，使得三维模型与实物具有相同的物理性质，并定义各部件间的相互关系和相互关系参数，及设置仿真实验条件；
10.步骤四、进行锚台拉锚的运动仿真实验，对实验过程进行监控，得到相应的实验数据；
11.步骤五、判断锚台拉锚的运动仿真实验的实验结果是否符合船舶设计要求，若符合要求，进入下一步骤，否则，根据实验结果，相应修改锚系设计方案，得到新的锚系设计方案，并返回步骤一重新建模；
12.步骤六、结束仿真实验，确定锚系设计方案，并进行锚系生产图纸设计。
13.优选地，步骤一中，所述船体主结构的三维模型为用于安装所述锚泊系统的船体艏端的局部三维模型。
14.优选地，组装好的所述船体主结构和所述锚泊系统包括组装为整体的艏部单舷甲板、船体外板结构、锚链筒、锚台和锚唇。
15.优选地，所述锚的零部件包括锚本体、锚杆、卸扣和锚链，步骤一中，所述锚的三维建模包括：根据锚的零部件的生产用图纸，分别对锚的零部件进行建模，分别得到锚本体、锚杆、卸扣和锚链的三维模型。
16.优选地，步骤二中，将锚本体、锚杆、卸扣和锚链装配成一体，然后，将一体的锚通过锚链连接在所述船体主结构上。
17.优选地，步骤三中，物理参数包括材料属性和重力加速度，所述材料属性包括材料的密度、材料的杨氏模量和材料的泊松比，各部件间的相互关系包括接触形式和运动副，相互关系参数包括面接触的摩擦系数，仿真实验条件包括定义三维模型所在空间相应的力场、设置运动驱动和wstiff积分求解器。
18.优选地，步骤四中，运动仿真实验包括收锚运动实验和抛锚运动实验。
19.优选地，步骤五中，修改锚系设计方案包括：根据运动仿真实验的结果对船体外板结构、锚链筒和锚唇的形状及位置进行修正和调整。
20.优选地，步骤五中，船舶设计要求包括第一要求、第二要求和第三要求，所述第一要求为锚爪不与船体外板发生碰撞，所述第二要求为收锚过程锚杆顺利进入锚链筒，所述第三要求为锚与锚台上的锚唇完全贴合。
21.优选地，步骤三中，还包括在零件的任意部位设置检测传感器，从而得到检测传感器所在部位的实时数据，所述实时数据位移、速度、加速度、动能、势能数据。
22.本发明的有益效果：本技术通过三维建模方法构建了船体首端、锚、锚链、锚唇和锚筒的三维模型，通过该三维实体模型进行多体动力学运动仿真实验，解决了现有木模拉锚实验中，制做木模存在的大量人力、物力的浪费及效率较低的弊端，极大的节省了木模实验的材料、费用和工期，极大的提升了拉锚实验效率；，得到的实验结果更可靠，用于验证船舶初步设计方案的可行性；而且，该三维实体模型可直接用于生产设计，船体外板可直接导入船舶生产设计软件进行设计，锚链管、锚台、锚唇模型及图纸可直接用于生产，实现模型详细设计及生产设计一体化，提高设计效率。
附图说明
23.通过附图中所示的本发明优选实施例更具体说明，本发明上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本的主旨。
24.图1为本发明优选实施例的安装有锚泊系统的船体艏端三维模型的示意图；
25.图2为本发明优选实施例的拉锚实验过程示意图；
26.图3为本发明优选实施例的方法流程图；
27.图中：艏部单舷甲板100；船体外板101；
28.锚链管200；锚台201；锚唇202；
29.锚本体300、锚杆301、锚链303。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本进行更全面的描述。
31.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
33.参考图1-图3，本发明提供一种锚台201拉锚仿真实验设计方法，包括以下步骤：
34.步骤一、根据锚系设计方案，进行三维建模，分别得到船体主结构、锚泊系统和锚的三维模型；
35.步骤二、将船体主结构、锚泊系统和锚的三维模型进行装配并定位，得到组装好的实验三维模型；
36.步骤三、对组装好的三维模型的各部件的物理参数进行设置，使得三维模型与实物具有相同的物理性质，并定义各部件间的相互关系和相互关系参数，及设置仿真实验条件；
37.步骤四、进行锚台201拉锚的运动仿真实验，对实验过程进行监控，得到相应的实验数据；
38.步骤五、判断锚台201拉锚的运动仿真实验的实验结果是否符合船舶设计要求，若符合要求，进入下一步骤，否则，根据实验结果，相应修改锚系设计方案，得到新的锚系设计方案，并返回步骤一重新建模；
39.步骤六、结束仿真实验，确定锚系设计方案，并进行锚系生产图纸设计。
40.本发明方法还建立了完整的数字化模拟拉锚流程，通过三维软件对锚泊系统进行1:1建模及装配，建模及修改效率极高，若实验结构符合要求，可直接将三维模型用于船舶生产设计。
41.拉锚仿真完成，锚柄顺利进入锚链303管200，由锚本体的左右对称性，锚与锚唇202通过四个点紧密贴合，锚本体的上方左右各一个点，锚本体的下方左右各一个点，锚本体上的四个点分别与锚唇上的四个点相贴，则表示锚与锚唇202的贴合度较高，满足设计要求，则表示锚唇202安装精度良好。仿真过程与实际拉锚情况相符。参考图1，在优选实施例中，步骤一中，所述船体主结构的三维模型为用于安装所述锚泊系统的船体艏端的局部三维模型。因锚系仅布置在首部，可对船体结构部分进行简化建模，仅需建立艏部单舷甲板100、外板结构、锚链303筒、锚台201、锚唇202。
42.参考图1，在优选实施例中，组装好的所述船体主结构和所述锚泊系统包括组装为
整体的艏部单舷甲板100、船体外板101、锚链303筒、锚台201和锚唇202。锚台201固定在船体外板101的外侧；锚链303筒穿插安装于艏部单舷甲板100和锚台201处，锚链303筒的一端开孔位于单舷甲板100上、另一端开孔位于锚唇202处；锚链303位于锚链303筒内，拉锚时，锚链303在锚链303筒内滑动，从而拉动锚移动。
43.参考图2，在优选实施例中，所述锚的零部件包括锚本体300、锚杆301、卸扣和锚链303，步骤一中，所述锚的三维建模包括：根据锚的零部件的生产用图纸，分别对锚的零部件进行建模，分别得到锚本体300、锚杆301、卸扣和锚链303的三维模型。按照锚的生产时的实际生产图纸建立三维模型，可确保仿真设计与实际锚泊系统的一致性和真实性。
44.参考图1，在优选实施例中，步骤二中，将锚本体300、锚杆301、卸扣和锚链303装配成一体，然后，将一体的锚通过锚链303连接在所述船体主结构上。对船体及锚泊系统零件进行装配。锚杆301与锚本体300直接连接，卸扣用于将锚链303连接在锚杆301上。
45.步骤三中，物理参数包括材料属性和重力加速度，所述材料属性包括材料的密度、材料的杨氏模量和材料的泊松比，各部件间的相互关系包括接触形式和运动副，相互关系参数包括面接触的摩擦系数，仿真实验条件包括定义三维模型所在空间相应的力场、设置运动驱动和wstiff积分求解器。三维模型所在空间相应的力场主要包括重力加速度，重力加速度指定了锚通过垂吊，模型按照钢材的材料属性建模及仿真，保证了重量重心及摩擦力的准确性，确保了与实船拉锚结果的一致性，保证实验结果的可靠性。
46.设置船体结构与锚泊系统的材料属性：密度、杨氏模量、泊松比等，确保了各零件重量重心与力学性能与实际相符，设置重力加速度，保证系统运动的真实。
47.将船体与锚泊系统的零件、各相邻零件为面接触，并设置钢材接触的静摩擦系数及动摩擦系数。
48.根据各零件的实际运动关系设置运动副。如将船体设置为固定副；锚与锚柄、锚柄与卸扣为轴向转动，则r可设置轴向转动副。
49.根据实际拉锚的速度设置运动驱动，按照10m/min的速度拉动锚链，从而通过锚链拉动锚本体。
50.进行多体动力学运动仿真实验，采用wstiff积分求解器，积分格式设置为i3，设置运动步长为0.1秒。
51.可选的，可在零件的任何部位设置检测传感器，得到零件实时运动的位移、速度、加速度、动能、势能等曲线。例如，在锚重心位置设置位移传感器，得到重心位置位移的运动曲线，该运动曲线分别包括x向、y向和z向分别随时间发生变化的位移运动曲线，可全面了解实验各部分的运动状态。分别设置不同的传感器，使得零件实时、可视化的运动的位移、速度、加速度、动能、势能等曲线为拉锚仿真及设计提供了精确的数据依据，为锚泊系统设计及方案修改提供依据，这是木模拉锚试验无法做到的，通过该方法，可数字化的记录整个锚泊系统零件运动过程的轨迹，为锚泊系统设计提供依据。该方法可实时、准确的模拟锚与船体外板101的相对位置，从而判断拉锚实验过程是否与船体结构发生碰撞。
52.参考图2，在优选实施例中，步骤四中，运动仿真实验包括收锚运动实验和抛锚运动实验。实验结果还包括多体动力学运动仿真过程动画，可以较直观的实时观测整个实验运动过程，对锚泊系统进行数字化模拟拉锚动力学运动仿真，确保拉锚顺利。
53.拉锚过程包括收锚运动和抛锚运动，其中，收锚运动实验过程：初始状态，锚处于
抛锚状态，通过向上拉紧锚链303，使得锚随着锚链303的拉动逐步向上移动，直至锚杆301进入锚链303管200，锚与锚唇202相贴，收锚实验结束；
54.抛锚运动实验过程：初始状态，锚通过锚链303拉紧固定在锚台201上，锚与锚唇202相贴合，实验开始，通过放松锚链303，使得锚在重力作用下向下移动，直至锚下降至船体外板101下方，实验结束；在锚爪移动时与船体外板101是否发生碰撞，以验证锚爪对这版设计方案的船体结构是否造成破坏。
55.在优选实施例中，步骤五中，修改锚系设计方案包括：根据运动仿真实验的结果对船体外板101、锚链303筒和锚唇202的形状及位置进行修正和调整。
56.在优选实施例中，步骤五中，船舶设计要求包括第一要求、第二要求和第三要求，所述第一要求为锚爪不与船体外板101发生碰撞，所述第二要求为收锚过程锚杆301顺利进入锚链303筒，所述第三要求为锚与锚台201上的锚唇202完全贴合。拉锚试验的作用在于，通过收锚及抛锚实验：验证锚爪移动时与船体外板101是否会发生碰撞，以避免锚爪对船体结构造成破坏；验证收锚过程锚杆301是否能够顺利进入锚链303筒；验证锚台201、锚链303筒的安装角度是否满足拉锚要求，以及是否能保证收锚后锚唇202与锚的贴合程度，以避免船舶运动过程中产生晃荡及碰撞。
57.在优选实施例中，步骤三中，还包括在零件的任意部位设置检测传感器，从而得到检测传感器所在部位的实时数据，所述实时数据位移、速度、加速度、动能、势能数据。
58.较优的，本发明方法基于catia 3d建模及设计方面技术，进行3d参数化建模，catia具有优秀的曲面建模功能，保证了模型的非常高的精度，通过多体动力学运动仿真实现拉锚仿真模拟，提高锚泊系统设计精度及效率，逐步替代木模拉锚试验的方法，降低制作木模及反复试验的高成本，提高设计效率，减少木材等物料成本的使用，实现绿色、智能化设计船舶。多体动力学运动仿真的计算效率非常高，计算一个方案约5分钟，利用其功能用于拉锚试验，能更真实的模拟实船拉锚。
59.采用多体动力学运动仿真方法模拟拉锚试验。可替代木模拉锚试验。常规单次木模拉锚试验成本约需5万，制作及工时约需160小时，
60.如木模拉锚不成功，需要多次修改木模并进行试验，增加成本并延长设计周期，而通过数字化的3d建模及动力学运动仿真，建模及模拟工时约40小时，且3d模型修改及仿真效率非常高。如按照每年约进行8型船的木模试验。每年可节省费用约40万元。
61.采用catia建立的外板、锚链303管200、锚台201、锚唇2023d模型可用于船舶的生产设计。船体外板101可直接导入船舶生产设计软件进行设计；锚链303管200、锚台201、锚唇202模型及图纸可直接用于生产。实现模型详细设计及生产设计一体化，提高设计效率。锚泊系统设计效率提升50％以上，减少后期实船因锚泊系统设计问题引起的建造修改成本的增加。
62.可建立锚泊系统的数字化的零件库，对于新项目可直接调用零件库的零件用于仿真计算，提高设计及仿真效率。
63.多体动力学运动仿真方法可直观的观测拉锚的实时状况及数据，木模试验无法得到运动数据，如锚柄进入锚链303管200后很难直观的观测其运动状态及位置；而通过软件仿真模拟，设置透明度，及测量位置。可得到所有零件实时运动的位移、速度、加速度、动能、势能等曲线。
64.常规木模的比例、材料密度、摩擦系数与钢材相差较大，无法精准的模拟实船拉锚的情况，如没有模拟到实船拉锚的情况，可能造成试航后极大的修改，而采用catia按照实际零件建模并输入钢材材料的属性，更精确的模拟实船拉锚的情况。
65.为了节省成本，常规木模一般仅用一个锚链303连接卸扣，而本方法建立数个锚链303与卸扣连接，锚链303拉锚过程中容易翻转，所以本方法更真实的模拟实船拉锚，避免了常规木模拉锚无法发现的拉锚问题。
66.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
67.在本说明书的描述中，参考术语“优选实施例”、“再一实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
68.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。