一种船舶锚系的三维交互布置设计方法与流程

1.本发明属于锚系设计技术领域，具体涉及一种船舶锚系的三维交互布置设计方法。


背景技术：

2.锚系设计作为船舶设计中一项比较关键性的设计技术,一直以来是各个船厂及设计公司极为重视的项目,也是众多船舶设计院所及船厂常常焦头烂额的项目。锚系设计需要设计者多年的经验和足够的三维想象的能力,设计过程中也不敢轻易摆脱母型船的“经验”设计，而且锚系布置方案初步确定后,需通过船模试验验证锚系贴合状态，以确保锚系的正常使用。
3.现有船模试验主要采用1:5木模实验，整个制作流程复杂、费时、费力、耗材、耗能，且无法循环反复使用，制作与存储还需大面积的场地和库房，且木模密度摩擦等相关系数与实船差别较大，结果存在一定风险。在木模试验过程中，如果出现锚与锚唇不贴合、锚与船体碰撞等问题，则需根据试验结果修改锚系布置方案，并依据修改后的锚系布置方案，重新制作木模进行实验，直至木模试验结构满足要求，以确定最终的锚系布置方案；由于在整个方案确定过程中，需要多次制作木模进行试验，不仅耗费大量人力、物力，而且造成整个设计周期的增加，不利于船舶的低成本、高效率建造。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其基于catia创建船艏结构、锚链筒、锚台和锚唇的三维模型，并将其导入nx软件中与nx生成的锚、锚链等部件进行定位组装获得锚系的装配模型；然后利用nx软件进行锚系的运动仿真分析，并根据分析结果对锚系进行优化，以确定最终的锚系布置方案，实现锚系的三维交互设计，有效克服传统设计因需要进行多次木模试验，导致的锚系设计周期较长、成本较高的缺陷。
5.本发明提供了一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
6.s1、根据初始锚系布置方案，在catia软件中创建船艏结构的三维模型，并完成锚链筒、锚台和锚唇的参数化建模；
7.s2、在nx软件中生成锚、锚链和掣链器的三维模型；
8.s3、将catia创建的船艏结构、锚链筒、锚台、锚唇导入nx软件中，与nx软件创建的锚、锚链和掣链器进行装配定位，获得锚系的装配模型；
9.s4、设置各部件间的相互关系和仿真条件，完成锚系的运动仿真分析；所述锚系的运动仿真分析包括起抛锚动态分析、锚运动碰撞状态分析和锚收藏效果状态分析；
10.s5、判断分析结果是否满足船舶设计要求，若满足要求，初始锚系布置方案即为最终的锚系布置方案；若不满足要求，根据分析结果优化锚系，并对优化后的锚系进行运动仿
真分析，直至优化后锚系的分析结果满足要求，以确定最终的锚系布置方案。
11.优选地，在s2步骤中，锚链筒、锚台和锚唇的参数化建模基于catia的vb二次开发实现。
12.优选地，在s5步骤中，锚系优化包括：船艏结构的外板线型优化、锚链筒中心线与船长方向夹角α的优化、锚唇型线优化、锚链筒中心线与船高方向夹角β的优化。
13.优选地，在s5中，根据起抛锚动态分析结果，判断锚与船体是否发生碰撞和正态时锚与船体的间隙是否满足要求；若锚与船体发生碰撞和/或正态时锚与船体的间隙不满足要求，则对船艏结构的外板线型进行优化和/或对锚链筒中心线与船长方向夹角α进行优化。
14.优选地，在s5中，根据锚运动碰撞状态分析结果，判断锚与锚唇是否完全贴合；若锚与锚唇未完全贴合，则对锚唇型线进行优化。
15.优选地，在s5中，根据锚收藏效果状态分析结果，判断锚杆是否能顺畅进入锚链筒；若锚杆不能顺畅进入锚链筒，则对锚链筒中心线与船高方向夹角β进行优化。
16.优选地，判断正态时锚与船体的间隙是否满足要求的条件为：仅正态时船体与锚的间隙不小于1000mm或者船舶纵倾2％lpp和横倾1
°
时锚收放都不碰到船体，且在正态时船体与锚的间隙不小于300mm。
17.优选地，判断锚与锚唇完全贴合的条件为：锚与锚唇至少为三点接触。
18.本发明基于catia创建船艏结构、锚链筒、锚台、锚唇的三维模型，保证锚链筒、锚台、锚唇的建模精度；然后将catia创建的船艏结构、锚链筒、锚台、锚唇导入nx软件中，与nx软件创建的锚、锚链等部件进行定位装配，然后定义各部件的材料属性和部件与部件之间的接触关系和运动副，并设置仿真条件，完成锚系运动仿真分析，并基于锚系运动仿真分析结果对锚系进行优化，直至优化后锚系的仿真分析结果满足要求，确定出最终的锚系布置方案；本发明基于catia与nx实现锚系的三维交互设计，整个设计过程中无需反复进行木模验证，有效避免因木模制作引起的成本增加、周期变长问题，提高锚系设计的效率的同时，降低锚系设计成本。
附图说明
19.图1为初始锚系布置方案的俯视图；
20.图2为初始锚系布置方案的侧视图(即图1中的a-a向剖面图)；
21.图3为创建的船艏结构模型；
22.图4为锚系的装配模型；
23.图5为锚系三维交互布置设计方法的流程图；
24.上甲板11，外板12，锚链筒2，锚台3，锚唇4，锚链51，锚杆52。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不
是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.如图5所示，本发明提供一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，包括以下步骤：
28.s1、根据初始锚系布置方案，在catia软件中创建船艏结构1的三维模型，并完成锚链筒2、锚台3和锚唇4的参数化建模；
29.图1和图2分别为初始锚系布置方案俯视图和侧视图，从图1和图2中，可获得的锚系设计参数包括锚链筒中心线与船长方向夹角α、锚链筒中心线与船高方向夹角β、锚链筒中心线与锚台面板夹角θ、锚链筒上口中心点p1至锚链管中心线的距离l1、锚机包角γ及锚机出链点高度h1；根据锚链舱中心位置坐标(已知)、锚链筒上口中心点p1至锚链管中心线的距离l1和上甲板高度位置，即可确定锚链筒上口中心点p1的坐标。
30.船艏结构模型可直接在catia中创建，也可在catia中直接调取事先创建的船艏结构模型，生成的船艏结构模型如图3所示。
31.根据锚链筒上口中心点p1坐标、锚链筒中心线与船长方向夹角α、锚链筒中心线与船高方向夹角β，在catia中创建经过p1点并与船舶中纵剖面呈α夹角的平面a，创建经过p1点并与船舶横剖面呈β夹角的平面b；将平面a与平面b的相交线作为锚链筒中心线；作垂直于锚链筒中心线的平面c；根据锚链筒2的内径d1、锚链筒板厚d1和d2，在平面c绘制锚链筒2的截面轮廓；拉伸截面轮廓，获得锚链筒2的柱状体；根据锚唇锚台图纸(属于锚系布置方案图纸)中的锚台高度(即锚链筒中心线与外板交点、锚台面板交点的距离)、锚链筒中心线与船高方向夹角β，确定锚台面板所在平面d；通过船艏结构1的上甲板11的上表面和平面d对获得的锚链筒柱状体进行修剪，获得最终的锚链筒三维模型。
32.根据锚台面板的尺寸定位信息，在平面d中绘制锚台面板的外轮廓线，并根据锚唇锚台布置图中的各截面画出引导线；将平面d沿法向方向向船中方向偏移预设距离(自行设定，一般不大于锚台高度)与事先建立的引导线相交获得多个第一交点；使用样条曲线连接各第一交点获得第一截面；基于第一截面和锚台面板外轮廓线围合形成的截面，使用catia的多截面曲面命令生成一个第一曲面，通过外插延伸命令将得到的第一曲面进行两端延伸获得第二曲面,要求延伸获得的第二曲面的上口越过外板，其下口越过平面d；将第二曲面向内侧加板厚，并通过船艏结构1上外板12的外表面和平面d进行修剪，获得锚台围板的三维模型。
33.将平面d中锚台面板外轮廓线、锚链筒与平面d的相贯线围成的截面向船体方向拉伸获得面板拉伸体，该面板拉伸体会与加板厚获得的锚台围板相交，通过锚台围板的内表面对面板拉伸体进行修剪，获得锚台面板的三维模型；然后，将获得的锚台围板、锚台面板进行并集相交处理，获得锚台3的三维模型。
34.然后根据锚唇各剖面图纸，过锚链筒中心线作垂直于平面d的剖切面，并将该剖切面进行旋转复制，以确定各锚唇剖面所在剖面；然后绘制出各个剖面上的锚唇截面；利用catia的多截面包络体命令，以下口外轮廓线为脊线进行扫掠，获得锚唇4的三维模型。
35.锚链筒1、锚台围板、锚台面板和锚唇4的建模可通过vb二次开发实现，也可利用catia自带的知识工程实现；对此不作限定，本实施例优选选用vb二次开发实现。
36.vb二次开发主要有两种方法：进程内访问(即catia宏程序实现)和进程外访问，本实施例优选选用进程外访问，其具体原理为：在vb中编辑建模窗口，编写在catia生成相应
模型的代码，当将所需设计参数输入到建模窗口中，vb根据输入的参数数据调用catia的api参数，通过编写的生成程序在catia中实现参数化几何模型的生成；当设计参数改变时，vb程序自动实现参数化模型的更新。
37.s2、在nx软件中生成锚、锚链和掣链器的三维模型；
38.锚库中收录了不同厂家不同吨位不同形式的锚，属于标准件库，因此可直接在nx软件中调用锚库中的相应锚，生成锚的三维模型。
39.锚链零件库为nx软件的零件库，其中的锚链是基于亚星锚链的尺寸标准获得的；nx软件中只要输入单个锚链的直径参数即可生成单个锚链的模型，选择相应的排链形式，即可生成整根锚链。
40.掣链器零件库为nx软件的零件库，可直接在nx软件中生成相应的掣链器。
41.s3、将catia创建的船艏结构1、锚链筒2、锚台3、锚唇4导入nx软件中，与nx软件创建的锚、锚链和掣链器进行装配定位，获得锚系的装配模型；
42.将catia生成的船艏结构1、锚链筒2、锚台3、锚唇4导入nx软件中，与nx软件生成的锚、锚链、掣链器进行定位装配，获得如图4所示的锚系装配模型。
43.锚系装配模型需进行干涉检查，避免出现零件干涉问题。
44.s4、设置各部件间的相互关系和仿真条件，完成锚系的运动仿真分析；锚系的运动仿真分析包括起抛锚动态分析、锚运动碰撞状态分析和锚收藏效果状态分析；
45.根据各部件的实际运动关系设置运动副，如对船艏结构1、锚链筒2、锚台3、锚唇4、掣链器侧板设置固定副约束；锚爪-锚杆-锚卸扣三者两两之间的旋转副设置、锚卸扣自身的旋转副设置、掣链器滚轮自身的旋转副设置及转环自身的旋转副设置。
46.定义接触和仿真条件：设置锚链与锚链筒2、锚唇4的三维接触约束，锚杆与锚唇4、锚链筒2的三维接触约束，锚座(锚爪的安装座，用于连接锚爪与锚杆)与锚唇4、锚台3的三维接触约束，锚杆与掣链器的三维接触约束等；选择锚链的第一个链作为驱动链，以锚机包角γ为驱动方向，驱动速度根据拉锚过程中锚链的实际运动速度确定。
47.开始锚系运动仿真分析，仿真精度可根据时间与步数进行控制；锚系运动仿真分析包括起抛锚动态分析、锚运动碰撞状态分析和锚收藏效果状态分析；其中，起抛锚动态分析主要是为了观察起锚后，锚在上升过程中是否和船体发生碰撞(可通过仿真动画观察)及船舶纵倾2％lpp和横倾1
°
时锚收放过程中是否碰到船体(动画观察)，且在正态时船体与锚的间隙值是否满足要求，或仅正态时船体与锚的间隙值是否满足要求；锚运动碰撞状态分析主要是为了检测锚唇4的设计是否合理，即锚在收紧后能否很好地与锚唇4贴合；锚收藏效果状态分析主要是检测锚杆能否顺畅进入锚链筒。
48.s5、判断分析结果是否满足船舶设计要求，若符合要求，初始锚系布置方案即为最终的锚系布置方案；若不符合要求，根据分析结果优化锚系，并对优化后的锚系进行运动仿真分析，直至优化后锚系的分析结果满足要求，以确定最终的锚系布置方案。
49.船舶设计要求包括第一要求、第二要求和第三要求；其中，第一要求为锚与船体不发生碰撞，且正态时锚与船体的间隙满足要求；具体为起锚后，锚在上升过程中不与船体发生碰撞，同时满足仅正态时船体与锚的间隙值不小于1000mm或船舶纵倾2％lpp和横倾1
°
时锚收放都碰不到船体，且在正态时船体与锚的间隙不小于300mm；第二要求为锚收紧后能与锚唇完全贴合，完全贴合的要求为锚与锚唇至少有三点接触(即锚座、锚爪与锚唇的接触点
总个数不小于3)；第三要求为锚杆能顺畅进入锚链筒，无卡滞、碰撞现象，
50.锚系优化包括：船艏结构的外板线型优化、锚链筒中心线与船长方向夹角α的优化、锚唇型线优化、锚链筒中心线与船高方向夹角β的优化；当起抛锚动态分析的分析结果不满足第一要求时，则对船艏结构的外板线型进行优化和/或对锚链筒中心线与船长方向夹角α进行优化；当锚运动碰撞状态分析的分析结果不满足第二要求时，对锚唇型线进行优化；锚收藏效果状态分析不满足第三要求时，对锚链筒中心线与船高方向夹角β进行优化；根据每次运动仿真分析结构修改锚系布置方案，优化锚系，并对优化锚系重新进行运动仿真分析，循环此步骤，直至锚系的运动仿真分析结果满足船舶设计要求，即可确定最终的锚系布置方案。
51.由于锚系优化主要为船艏结构的外板线型优化、锚链筒安装角度优化(即夹角α和夹角β)的优化和锚唇型线优化，其涉及到的船艏结构1、锚链筒2和锚唇4均在catia中基于vb程序参数化建模获得，只需直接修改对应参数，即可更新catia创建的船艏结构模型、锚链筒模型、锚台模型和锚唇模型，进而完成nx软件中锚系装配模型的更新；通过catia和nx的三维交互，可充分利用catia强大的曲面创建能力、nx快速的标准件建模能力和nx优秀的运动仿真分析能力，保证锚系模型的创建精度和创建效率，提高锚系布置方案优化精度的同时，避免了传统锚系方案优化需多次制作木模，导致成本和周期增加的不足，便于推广使用。
52.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：s1、根据初始锚系布置方案，在catia软件中生成船艏结构的三维模型，并完成锚链筒、锚台和锚唇的参数化建模；s2、在nx软件中生成锚、锚链和掣链器的三维模型；s3、将catia创建的船艏结构、锚链筒、锚台、锚唇导入nx软件中，与nx软件创建的锚、锚链和掣链器进行装配定位，获得锚系的装配模型；s4、设置各部件间的相互关系和仿真条件，完成锚系的运动仿真分析；所述锚系的运动仿真分析包括起抛锚动态分析、锚运动碰撞状态分析和锚收藏效果状态分析；s5、判断分析结果是否满足船舶设计要求，若满足要求，初始锚系布置方案即为最终的锚系布置方案；若不满足要求，根据分析结果优化锚系，并对优化后的锚系进行运动仿真分析，直至优化后锚系的分析结果满足要求，以确定最终的锚系布置方案。2.根据权利要求1所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，在s2步骤中，锚链筒、锚台和锚唇的参数化建模基于catia的vb二次开发实现。3.根据权利要求1或2所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，在s5步骤中，锚系优化包括：船艏结构的外板线型优化、锚链筒中心线与船长方向夹角α的优化、锚唇型线优化、锚链筒中心线与船高方向夹角β的优化。4.根据权利要求3所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，在s5中，根据起抛锚动态分析结果，判断锚与船体是否发生碰撞和正态时锚与船体的间隙是否满足要求；若锚与船体发生碰撞和/或正态时锚与船体的间隙不满足要求，则对船艏结构的外板线型进行优化和/或对锚链筒中心线与船长方向夹角α进行优化。5.根据权利要求3所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，在s5中，根据锚运动碰撞状态分析结果，判断锚与锚唇是否完全贴合；若锚与锚唇未完全贴合，则对锚唇型线进行优化。6.根据权利要求3所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，在s5中，根据锚收藏效果状态分析结果，判断锚杆是否能顺畅进入锚链筒；若锚杆不能顺畅进入锚链筒，则对锚链筒中心线与船高方向夹角β进行优化。7.根据权利要求4所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，判断正态时锚与船体的间隙是否满足要求的条件为：仅正态时船体与锚的间隙不小于1000mm或者船舶纵倾2％lpp和横倾1
°
时锚收放都不碰到船体，且在正态时船体与锚的间隙不小于300mm。8.根据权利要求5所述一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，其特征在于，判断锚与锚唇完全贴合的条件为：锚与锚唇至少为三点接触。

技术总结
本发明提供了一种船舶锚系的三维交互布置设计方法，包括：S1、根据初始锚系布置方案，在CATIA中创建船艏结构，并完成锚链筒、锚台和锚唇的参数化建模；S2、在NX中生成锚、锚链和掣链器；S3、将船艏结构、锚链筒、锚台、锚唇导入NX中，与锚、锚链和掣链器进行装配定位，获得锚系装配模型；S4、完成锚系的运动仿真分析；S5、判断分析结果是否满足船舶设计要求，若满足要求，确定锚系布置方案；若不满足要求，根据分析结果优化锚系，并对优化后锚系进行运动仿真分析，直至优化后锚系的分析结果满足要求，以确定最终的锚系布置方案；本发明通过CATIA与NX的交互功能实现锚系布置方案的分析和优化，有效克服传统木模试验优化导致的成本较高、周期较长的问题。较长的问题。较长的问题。


技术研发人员：周沛林 刘肖朦 杨隽豪 张健 吴时朝
受保护的技术使用者：江南造船（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/1