论述改装船锚系结构改进设计

论述改装船锚系结构改进设计

论述改装船锚系结构改进设计

摘要：当对船舶进行改装的时候，必须对锚链和锚的尺寸等作相应的变动，但是又缺乏相应的理论依据，要想做到各部位很好的贴合就要进行详细的计算与研究。本文中在基于入级规范的要求下，运用三维仿真设计软件与结构有限元分析软件，对锚系结构的改进方法进行了分析研究，希望能对今后同类船舶改装有所帮助。

关键词：船改装；锚泊系统；设计；分析

锚泊系统是船舶起锚、抛锚的重要机电设备，可使船舶临时在锚地或者浅水区实现停泊。当船舶进行大型改装时，舾装数通常发生变化，导致锚链和锚的尺寸加大，原有的锚台、锚唇结构不能与其匹配因此需要改进设计。本文结合实例，在不改动原船锚链筒的情况下，对实船锚台、锚唇结构进行改进设计。从几方面分别进行锚系船体结构的改进设计研究。

1锚台、锚唇结构外形尺寸的初步设计

某海洋工程船原船没有锚台结构，并且设计存在缺陷，需要进行改装。以往设计通常参考母型船以及船东的实际使用经验，综合考虑进行锚泊系统、锚台结构等设计工作。但因为通常船体该处型线变化大，锚泊受力复杂，这方面改进设计实例国内很少，针对锚系结构的强度校核资料更少，大多数都是凭借经验确定方案。在设计中应考虑以下几点：

1)当船舶向任何一舷倾斜5°时，任何一个锚在收起时不应该锚爪卡住艏艉柱和船底板。

2)不论锚爪处于何种状态，锚杆应该能够被拉进锚链筒，且其锚爪应紧贴船外板(或者锚台外板)，锚冠紧贴锚唇。

3)被拖进锚链筒的锚，在航行时不应没入水中或者掀起浪花，以至增加船舶阻力。

4)锚应该只需依靠其自重既能无阻碍地从锚链筒中抛出。

5）根据以上设计要求结合目前船体结构现状，锚链筒最好不要

进行改动，根据实际使用的锚链链环直径确定下锚唇的最小曲率半径:r＞3d(锚链直径)，上锚唇最小曲率半径比下锚唇最小曲率半径小一些，上下锚唇之间进行平滑过渡。

2锚台、锚唇结构三维模型仿真设计及分析

目前锚制造企业很多，但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。有必要根据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。通过利用三维软件Rhino模拟手段，实现锚泊系统的优化选型及锚台及锚唇结构的优化设计，有效提高锚唇的设计精度，并根据各截面上的曲线形状对其进行全参数化建模，如发现不吻合或其他问题，可直接调整相关的参数，再次进行软件拉锚仿真试验。

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。起锚过程中，锚在与锚唇贴合时候锚爪有旋转的过程。

根据三维设计的结果，我们修改了锚台和锚唇的外形尺寸并设计锚台和锚唇的内部结构。在锚台内部结构上，我们突破传统的大腹板交叉的结构形式，改为高腹板加筋板的优化组合形式，方便人员内部进行施工作业，直接使后续生产施工更加容易、便捷。根据三维软件得出设计的锚台结构物质量达48t。利用三维软件Rhino得到锚台内部效果图和锚唇的外形尺寸。

3锚台结构FEA分析

锚台的结构强度校核由于其受力以及所在处船体结构线型复杂，采用常规方法进行精准设计存在一定困难。下面根据船舶锚泊时的实际工况，采用有限元方法对锚台结构进行分析，依据实船入级DNV规范对其进行强度校核。

3.1锚台结构受到环境力分析

一般船舶临时锚泊，是在无风暴情况下在浅水区(锚地)进行的，如果遇到风暴，则需要进港躲避。锚泊的作用主要是限制船舶的活动范围(此时系泊系统不起作用)，使其不会随意漂流。

因此对抛出的锚泊线要保证船舶在受到外力的作用下进行漂移

时锚泊线下端总能相切于水底，使锚的抓力得到充分的发挥，从而防止走锚。浅水水域船舶抛锚时作用在船舶上的环境力分为:风力、流力、波浪力等，下面对锚系完整工况进行了一系列的动态锚泊分析，并按照规范分别采用手工计算。

1)风载荷。

风载荷是脉动的，一天当中风速记录的数值变化很大，需取某一时距的平均风速表示，常用的有阵风风速、持续风速、稳定风速。各国船级社的规定不同，这里设计要给予充分考虑。海洋工程船设计载荷时要考虑更为严格，按照DNV的规范要求，平均风速v(t，h)为: v(t，h)=v(hr,tr)×[1+0.137ln－0.47ln]

式中:hr为距海面参考高度10m;h为距海面实际高度，tr为时间，t为平均时间;v(hr，tr)为参考高度距海面10m的参考风速。取10min 平均风速作为计算标准风速:25m/s2，取1h风速作为平均风速。

基本风压:P1=ρav(t，h)2

式中:ρa为空气的密度，1.225kg/m3。

本实例中经过修正后最终风压P=7.4×10－4MPa。

该计算公式与OCIMF石油公司国际海事论坛关于风载的计算基

本一致。

计算受风面积选取受风构件的正投影面积。

2)波浪、流载荷。

因为船舶在锚泊时海况不定，故以下按照实例中船舶入级规范进行确定海流综合速度:2.5m/s(DNV船级社规范要求)。流载荷力按照APIRP－2A，拖曳力系数和惯性力系数根据API规范进行选取，综合考虑海流力、波浪载荷动态分析。

F=CDA×v×|v|+Cm×V×

式中:CD为拖曳力系数，0.65;Cm为惯性力系数，1.6;ρ为海水密度，1.025×103kg/m3;g为重力加速度，9.81m/s2;A为垂直于船舶纵向的投影面积，m2;V为船舶的排海水体积，m3;v为海水流速，m/s;为垂直于船舶纵向海水的加速度。波浪载荷取7个典型的波浪入射方向:0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，船舶的投影面积根据波浪入射方向确定。

3.2作用在船舶锚系结构(锚台)的外力计算

每米锚链链长在水中的质量约为0.87×锚链质量。

锚链筒出口处锚链张力(作用于锚台结构):F=作用在船舶的环境合力+锚链在水中的质量重×船舶距海底深度。

当风、浪、流的方向相同时，船舶最危险，因此取风、浪、流方向都为0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°时7个海况组合进行计算。

3.3锚台结构模型

锚台的结构受力频繁的地方在锚唇上下经常接触点，收紧锚链过程中锚唇下经常接触点受力，收紧锚链时锚唇上下经常接触点同时受力。收紧锚时锚爪受到锚机的拉紧力，使锚贴紧锚唇结构。根据船舶入级规范建议要求，将锚台结构采用板格单元，锚台结构模型网格尺寸定义为50×50，边界条件为刚性固定。

3.4有限元结果与分析

分别对7种组合工况下锚台结构进行了分析，各部分的最大合成应力。许用应力值按照DNV规范要求:

σ_all=160MPa;τ_all=90MPa。

锚台的受力不是经常重复的，不存在结构疲劳工况，通过计算发现实际应力值满足强度要求。

4锚台、锚唇结构实际效果

根据上面设计以及计算结果送审DNV船级社和船东，获得通过，目前已经实际安装到船上。

6结束语

本文对改装船、海洋工程船锚系船体结构的改进设计进行了仔细的研究，对锚台、锚唇结构受到环境载荷计算，结构外形尺寸的确定、结构强度的校核、锚台船体结构加强设计等方面进行了分析，并给出了相应的计算方法和思路。希望能够对类似的设计提供一些参考。我们在对锚系结构物(锚台、锚唇)方案设计等方面积累了一些宝贵的经验，如有不妥的地方请给予指正。

参考文献

［1］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册(舾装分册)［M］.