基于Rhino的小型工程船錨鏈筒、錨穴三維設(shè)計(jì)

呂波

摘 要：小型工程船舶由于其經(jīng)常性地?？看a頭或其他船舶，通常會(huì)安裝錨穴，將錨收存在船體以內(nèi)。而錨鏈筒、錨穴的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的三維變化問題，傳統(tǒng)的利用木模拉錨實(shí)驗(yàn)來確定其最終位置的設(shè)計(jì)方法非常繁瑣，采用Rhino三維軟件輔助設(shè)計(jì)小型工程船舶的錨鏈筒、錨穴，能夠大大縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省設(shè)計(jì)成本。

關(guān)鍵詞：錨鏈筒；錨穴；三維設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U674.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Small engineering vessels often dock at wharf or to other ships and are usually equipped with anchor recesses to store anchors within the hull. However， the design of hawser pipe and anchor recess is a complex three dimensional case， traditional design method which determines the final location by wooden anchoring model test is very complicated. This paper introduces the design of small engineering vessels hawser pipe and anchor recess with the 3D software Rhino and it is easy， accurate， shortens the design cycle and saves the design cost.

Key Words：Hawse pipe；Anchor recess；3D design

1 前言

錨鏈筒、錨穴是船舶錨系統(tǒng)的重要組成部分，是錨的收存裝置。其中錨鏈筒位于甲板和錨穴之間，用于錨干的收存；錨穴位于錨鏈筒下出口和外板之間，用于錨爪、錨臂、錨冠等的收存。

船舶首錨的錨鏈筒一般設(shè)于首部的兩舷處，其上端出口一般位于主甲板或首樓甲板上，下端出口一般位于首部的外板處，對(duì)于設(shè)有錨穴的船舶，錨鏈筒下出口位于錨穴頂板上。錨鏈筒的形式和結(jié)構(gòu)與船型、錨機(jī)、掣鏈器的形式等有著密切關(guān)系。通常按照錨鏈筒與水平面的夾角大小可以分為陡峭式和平斜式兩種，其中陡峭式錨鏈筒在起錨的過程中更容易將錨拉進(jìn)錨鏈筒，因而應(yīng)用更加廣泛。

錨穴又稱錨龕，是位于船舶首部兩舷外板上的用于收存錨的龕狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于客船、油船、港口船、拖輪、供應(yīng)船及漁船等船型，由于其經(jīng)常用首部?？看a頭或其他船舶，此時(shí)突出于船外的錨容易造成碼頭或其他船舶的損壞，因此這些類型的船舶通常設(shè)置錨穴，將錨收存在船體以內(nèi)。對(duì)于高速船來說，采用錨穴后，除了可以對(duì)錨起到保護(hù)作用外，還能減少波浪對(duì)錨的沖擊而產(chǎn)生的浪花，進(jìn)而緩解因此引起的航行阻力的增加。另外，設(shè)置錨穴對(duì)船舶外形的美觀性也有一定的作用。根據(jù)其形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，錨穴可分為明式、暗式、馬蹄形、傘形等幾種，其中明式錨穴可以看到整個(gè)錨爪，而暗式錨穴只能看到錨冠的端面。

2 錨鏈筒錨穴設(shè)計(jì)

2.1 錨鏈筒

錨鏈筒一般由筒身、甲板錨鏈筒口和舷側(cè)錨鏈筒口組成，其位置的確定是錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。通常，錨鏈筒位置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件：

（1）拋、起錨的過程應(yīng)順暢，即錨能夠依靠其自重?zé)o阻礙地從錨鏈筒拋出，也能在船舶向任一側(cè)橫傾5°范圍內(nèi)的起錨過程中不卡住首柱或船體并且無阻礙地進(jìn)入錨鏈筒；

（2）被拉進(jìn)錨鏈筒的錨，其錨爪應(yīng)貼緊外板或錨穴后板，錨冠貼緊錨唇；

（3）錨鏈筒的長度應(yīng)能足以收存錨柄，并使錨鏈轉(zhuǎn)環(huán)位于導(dǎo)鏈滾輪之前；

（4）甲板和舷側(cè)的錨唇在錨鏈通過處應(yīng)設(shè)有足夠大的圓弧，以減小應(yīng)力；

（5）錨鏈筒下出口中心位置不應(yīng)使錨鏈筒穿過兩層甲板。

錨鏈筒上、下出口的位置確定了錨鏈筒的位置。上口位置一般根據(jù)錨機(jī)的參數(shù)、掣鏈器的位置和尺寸以及甲板布置情況等決定；而下出口位置的確定相對(duì)復(fù)雜。假設(shè)側(cè)視圖中錨鏈筒中心線與鉛垂線的夾角為α，平面圖中錨鏈筒中心線與船體中心線的夾角為β。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，α取值一般在35°～45°范圍內(nèi)為宜，α值小則拋、起錨操作方便，但錨鏈筒會(huì)相對(duì)較長，這一點(diǎn)對(duì)于空間緊湊且設(shè)有錨穴的小型工程船（如拖輪、小型工作船等）較為重要；但α太小會(huì)造成錨鏈筒下口較低，對(duì)于有球鼻首的船舶來說，拋、起錨時(shí)錨容易距離球鼻首過近。β 值一般在5°～15°為宜，對(duì)于有球鼻首的船舶一般到20°～25°。對(duì)于設(shè)有錨穴的船舶來說，選取α和β值時(shí)應(yīng)盡量保證錨鏈筒中心線垂直于錨鏈筒下出口所在高度處的水線，這樣有利于順利地拋、起錨。

錨鏈筒的內(nèi)徑D可按式（1）或（2）確定：

2.2 錨穴

錨穴的尺寸和大小應(yīng)根據(jù)具體選用錨的規(guī)格來確定，錨在錨穴中應(yīng)有足夠的活動(dòng)空間，在各方向上留有10%～20%的富裕度為宜。另外一個(gè)重要的參數(shù)是錨鏈筒中心線和錨穴底板的夾角，為保證錨與錨穴底板的貼合度，該夾角應(yīng)稍大于錨的最大張角，以5°～10°為宜。

3 Rhino在小型工程船錨鏈筒錨穴設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的錨鏈筒和錨穴設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者往往是根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)出錨鏈筒和錨穴的位置、形狀和尺寸，再制作木模進(jìn)行拉錨實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)初步設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行修改，這樣經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和方案調(diào)整，最終得到滿足要求的設(shè)計(jì)方案。在此過程中，每次方案的修改都需要重新制作木模，重新進(jìn)行拉錨實(shí)驗(yàn)，造成人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi)。不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)錨鏈筒錨穴設(shè)計(jì)難度大，是由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)均采用二維的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，很難同時(shí)在三個(gè)方向上控制錨鏈筒錨穴的變化，也不利于直觀地觀察錨鏈筒、錨穴參數(shù)的變化所帶來的效果。隨著三維設(shè)計(jì)軟件的廣泛運(yùn)用，空間位置復(fù)雜的錨鏈筒、錨穴的設(shè)計(jì)也可以變得更加直觀和準(zhǔn)確。

Rhino是美國Robert McNeel & Assoc公司推出的一款基于NURBS曲線的三維造型軟件，其操作非常簡單，操作過程和習(xí)慣與AutoCAD十分相似，而且其NURBS曲面適合船體外殼的建模，因此，運(yùn)用Rhino來輔助設(shè)計(jì)船舶的錨鏈筒、錨穴顯得很合適。本文將以一艘38 m多用途工作船為例，來說明Rhino在小型工程船錨鏈筒、錨穴設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。

按照規(guī)范，計(jì)算出舾裝數(shù)后，選取合適類型和規(guī)格的錨和錨鏈，并初步確定錨鏈筒的長度和直徑。對(duì)于38 m多用途工作船，選用780 kg短干霍爾錨，錨鏈筒直徑定為14 in。然后，在Rhino中導(dǎo)入該船首部肋骨型線和必要的特征線，建立首部三維模型，并根據(jù)錨機(jī)參數(shù)、掣鏈器布置等確定錨鏈筒在甲板處的上口位置。為了保證錨與錨鏈筒錨穴的貼合度，單獨(dú)建立錨鏈筒和錨穴的模型，并將所選取錨的三維模型插入其中，校核三者的貼合狀態(tài)，并不斷調(diào)整錨鏈筒與錨穴底板的夾角，使錨與錨穴達(dá)到最佳的貼合狀態(tài)，如圖1所示。

此時(shí)，可以將達(dá)到滿意貼合狀態(tài)的錨、錨鏈筒、錨穴作為一個(gè)整體，即保持三者的相對(duì)位置不變，以錨鏈筒上口為基準(zhǔn)點(diǎn)，將其移動(dòng)至建好的首部船體模型之中。不斷調(diào)整錨穴相對(duì)船體外板的位置，以及錨鏈筒的α和β角，使錨穴在一個(gè)合適的位置連接到外板上，滿足順暢拋、起錨的要求，并保證錨鏈筒有足夠的長度。將調(diào)整到合適位置的錨鏈筒錨穴與船體外板面進(jìn)行剪切、延伸等操作，最終得到完整的錨鏈筒、錨穴模型，并對(duì)需要的連接位置進(jìn)行圓角處理，如圖2所示。

采用此方法，不僅使錨鏈筒、錨穴的設(shè)計(jì)更加直觀化，而且從三維模型中可以直接截出錨穴和船體在任何方向的精確剖視圖的輪廓，在此基礎(chǔ)上能夠更方便地完善詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖紙，如圖3所示。當(dāng)然，也可以直接在模型中建立出錨穴周圍的結(jié)構(gòu)，直接在模型中優(yōu)化此處的結(jié)構(gòu)布置，防止后期放樣過程中出現(xiàn)難以施工等問題。

4 結(jié)語

Rhino軟件可以簡化船舶錨鏈筒錨穴的設(shè)計(jì)步驟，而且在設(shè)計(jì)過程中便于修改，減輕了設(shè)計(jì)者的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)效率。結(jié)合Rhino的輔助設(shè)計(jì)，可以直觀地觀察到錨鏈筒和錨穴的貼合度，提高了設(shè)計(jì)的精度，為后期的拉錨實(shí)驗(yàn)和木模制作提供了更為有效的依據(jù)，節(jié)省了后期設(shè)計(jì)、施工的時(shí)間和成本。如果設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)足夠豐富，或者結(jié)合拋、起錨的計(jì)算機(jī)三維仿真實(shí)驗(yàn)，甚至可以省去后期的拉錨實(shí)驗(yàn)。

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