一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法

摘要

本发明公开了一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，分析方法步骤包括：根据锚链舱、锚链、导链滚轮、锚机轮、锚链管、锚杆、锚冠和锚唇的尺寸参数建立锚链入舱三维模型的虚拟样机，对锚链入舱三维模型进行多刚体接触碰撞动力学仿真，根据锚链堆积几何形态建立锚链舱堆链的数学模型，对锚链堆积体积进行量化回归分析，根据量化回归分析结果对锚链舱容积进行余度分析，进行锚链舱最优容积设计。本发明的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法根据锚链堆积几何形态建立锚链舱堆链的数学模型，极大的提高了船舶舱室空间利用率，锚链入舱堆积的动态仿真和量化分析对整个锚系零件的布置和拉锚运动设计的可靠性进行了数字化验证。

权利要求

1.一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，其特征在于：分析方法步骤包括：

步骤a：根据锚链舱、锚链、导链滚轮、锚机轮、锚链管、锚杆、锚冠和锚唇的尺寸参数建立锚链入舱三维模型的虚拟样机；

步骤b：对锚链入舱三维模型进行多刚体接触碰撞动力学仿真；

步骤c：根据锚链堆积几何形态建立锚链舱堆链的数学模型；

步骤d：对锚链堆积体积进行量化回归分析；

步骤e：根据所述量化回归分析结果对锚链舱容积进行余度分析，进行锚链舱最优容积设计。

2.根据权利要求1所述的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，其特征在于：步骤a中锚链舱包括截面为圆形、梯形、近梯形、长方形或正方形的锚链舱。

3.根据权利要求1所述的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，其特征在于：步骤b中多刚体接触碰撞动力学仿真过程中设置锚链之间为接触约束，根据接触力计算公式 迭代计算出接触力，式中j为方程介数，且j＝

1,2,3...；l为惩罚系数；i为当前锚链个数；g为两物体碰撞过程中实际距离； 为两刚体间距离随时间的变化率；λ为最大阻尼系数；根据锚链材质以及接触力设定接触参数，包括刚度系数k、阻尼系数c、力指数e、渗透深度d、静摩擦速度vs、动摩擦速度vd、静摩擦系数mus、动摩擦系数mud和恢复系数R，以锚链舱、锚链管、船体、锚机轮、导链滚轮、锚唇为固定组件，对虚拟样机仿真环境施加ρ＝9806.65mm/sec2的重力场作用，通过设置仿真软件的求解器时间、步数、最大步长、求解器最大误差、最大迭代次数后进行仿真计算。

4.根据权利要求1或2所述的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，其特征在于：步骤c中数学模型为“圆锥形”数学模型。

5.根据权利要求4所述的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，其特征在于：步骤d量化回归分析中采用分段标注技术将整个i节长链从最下端第一节开始，每T节锚链分为一组，堆链过程中测量各组节点铺开直径D和堆积高度h值，通过数学模型计算出堆积近似体积V，对长链节数i、节点铺开直径D和堆积高度h和堆积近似体积V进行量化回归分析，得出h与i，D与i，V与i、D，V与i、h的回归关系方程。

6.根据权利要求5所述的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，其特征在于：步骤e中根据h与i、V与i的回归关系将堆积高度最大值hmax均分为n份，分别量取其中m为计数个数，即均分n份中的前m份，m＝1，2...，且m≤n；高度值对应的锚链舱实际容积vm，取 与相同堆积高度下的堆链体积 进行比较，得出锚链舱余度

说明书

一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法

技术领域

[0001] 本发明属于船舶设备技术领域，具体涉及一种船舶锚链舱的分析方法。

背景技术

[0002] 作为船舶总体布置的重要组成部分，锚链舱的结构设计以及锚链入舱堆积形态分析对整个拉锚过程起着重要作用，能否将船舶舱室空间利用率最大化并保证拉锚堆链动作顺利进行是船舶总体设计过程中的难点，锚链入舱堆积过程以及堆积形态缺乏系统性的研究成果，要构建锚链堆积的动态体积方程，采用传统的规则几何体体积方程无法精确模拟出堆积时的几何形状，没有可供参考的成熟的锚链堆积几何形态预测公式，因此锚链舱的容积根据经验公式设计会带来较大的设计偏差，特别是对非传统的锚链舱结构形式，此外，采用经典的商业化多刚体动力学仿真求解软件，仅能计算维数小于50的多刚体动力学方程，通过对锚链、锚杆、锚冠、锚唇等零件三维建模和运动贴合情况仿真来进行锚链筒、锚唇的位置和形状的设计，能极大的提高效率、缩短周期、降低成本，对锚链舱内部通风、防腐结构进行优化设计，提高了锚系零件尤其是锚链的使用寿命，然而，在锚链个数大于1000的长链末端运动即锚链入舱后堆积铺展过程的运动状态仿真以及堆积几何形态预测技术方面却未见报道，锚链舱容积余度分析和锚链舱尺寸设计也没有成熟的理论成果。

发明内容

[0003] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术中无法精确模拟锚链个数大于1000的长链入舱堆积仿真和精确分析锚链舱容积余度，不能对堆链过程几何形态进行动态预测，并对锚链舱空间进行优化设计，提供一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法。

[0004] 技术方案：本发明的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，分析方法步骤包括：

[0005] 步骤a：根据锚链舱、锚链、导链滚轮、锚机轮、锚链管、锚杆、锚冠和锚唇的尺寸参数建立锚链入舱三维模型的虚拟样机；

[0006] 步骤b：对锚链入舱三维模型进行多刚体接触碰撞动力学仿真；

[0007] 步骤c：根据锚链堆积几何形态建立锚链舱堆链的数学模型；

[0008] 步骤d：对锚链堆积体积进行量化回归分析；

[0009] 步骤e：根据所述量化回归分析结果对锚链舱容积进行余度分析，进行锚链舱最优容积设计。

[0010] 优选的，步骤a中锚链舱包括截面为圆形、梯形、近梯形、长方形或正方形的锚链舱。

[0011] 优选的，步骤b中多刚体接触碰撞动力学仿真过程中设置锚链之间为接触约束，根据接触力计算公式 (式中j为方程介数，且j＝1,2,3...；l为惩罚系数；i为当前锚链个数；g为两物体碰撞过程中实际距离； 为两刚体间距离随时间的变化率；λ为最大阻尼系数)迭代计算出接触力，根据锚链材质以及接触力设定接触参数，包括刚度系数k、阻尼系数c、力指数e、渗透深度d、静摩擦速度vs、动摩擦速度vd、静摩擦系数mus、动摩擦系数mud和恢复系数R，以锚链舱、锚链管、船体、锚机轮、导链滚轮、
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锚唇为固定组件，对虚拟样机仿真环境施加ρ＝9806.65mm/sec的重力场作用，通过设置仿真软件的求解器时间、步数、最大步长、求解器最大误差、最大迭代次数后进行仿真计算。

[0012] 优选的，步骤c中数学模型为“圆锥形”数学模型。

[0013] 优选的，步骤d量化回归分析中采用分段标注技术将整个i节长链从最下端第一节开始，每T节锚链分为一组，堆链过程中测量各组节点铺开直径D和堆积高度h值，通过数学模型计算出堆积近似体积V，对长链节数i、节点铺开直径D和堆积高度h和堆积近似体积V进行量化回归分析，得出h与i，D与i，V与i、D，V与i、h的回归关系方程。

[0014] 优选的，步骤e中根据h与i、V与i的回归关系将堆积高度最大值hmax均分为n份，分别量取 (其中m为计数个数，即均分n份中的前m份；m＝1，2...；且m≤n)高度值对应的锚链舱实际容积vm，取 与相同堆积高度下的堆链体积 进行比较，得出锚链舱余度[0015] 有益效果：本发明的一种锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析方法，通过建立锚链入舱三维模型的虚拟样机，根据迭代公式计算其他参数并对入舱模型进行多刚体接触碰撞动力学仿真，根据锚链堆积几何形态建立锚链舱堆链的“圆锥形”数学模型，对锚链堆积体积进行量化回归分析，从而对锚链舱容积进行余度分析，进行锚链舱最优容积设计，本分析方法适用于大型船舶锚链舱结构优化设计，特别是对于锚链个数大于1000的长链，极大的提高了船舶舱室空间利用率，降低成本，锚链入舱堆积的动态仿真和量化分析对整个锚系零件的布置和拉锚运动设计的可靠性进行了数字化验证，通过锚链、锚杆、锚冠、锚唇等零件三维建模和运动贴合情况仿真，来进行锚链筒、锚唇的位置和形状的设计，极大的提高效率，缩短周期，还能对锚链舱内部通风、防腐结构进行优化设计，提高锚系零件尤其是锚链的使用寿命。

附图说明

[0016] 图1为本发明的流程图；

[0017] 图2本发明的锚系虚拟样机三维模型图；

[0018] 图3为本发明的锚链个数i与堆积高度h关系图；

[0019] 图4为本发明的锚链个数i与堆积体积V关系图；

[0020] 图5为本发明的锚链个数i与近似圆直径D关系图；

[0021] 图6为本发明的堆积体积V与锚链个数i、堆积近似圆底面直径D关系图；

[0022] 图7为本发明的堆积体积V与锚链个数i、堆积高度h关系图；

[0023] 图8为本发明的堆积高度随着锚链个数变化趋势图。

具体实施方式

[0024] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0025] 实施例：某型号船舶锚系基本设计参数为：锚链长为385.0mm，锚链个数i＝1500，锚链直径为φ58mm的海洋系泊链，锚链舱类型为“圆形”截面，锚机轮采用“卧式”布置，边锚锚唇与23250kg重的大抓力锚配合，根据如图1所示流程图进行锚链入舱堆积仿真及锚链舱容积余度分析，并给出锚链舱最优容积设计方案；

[0026] 步骤a，如图2所示，根据所给锚系基本设计参数对锚链舱1、锚链7、导链滚轮4、锚机轮3、锚链管2、锚杆8、锚冠9和锚唇6进行三维建模，并完成三维模型的装配，搭建锚链入舱三维模型的虚拟样机；

[0027] 步骤b，设置虚拟样机各模型材料为钢，锚链之间的运动约束类型设置为接触，根据接触力计算公式 (式中j为方程介数，且j＝1,2,3...；l为惩罚系数；i为当前锚链个数；g为两物体碰撞过程中实际距离； 为两刚体间距离随时间的变化率；λ为最大阻尼系数)迭代计算出接触力，根据接触力大小和锚链钢质材料确定刚度系数k＝105N/mm，阻尼系数c＝50N-sec/mm，力指数e＝1.5，渗透深度d＝0.1mm，静摩擦速度vs＝0.1mm/s，动摩擦速度vd＝10mm/s，静摩擦系数mus＝0.3，动摩擦系数mud＝
0.25以及恢复系数R＝0.15等参数，将锚链舱5、锚链管2、船体5、锚机轮3、导链滚轮4、锚唇6在仿真过程中设定为固定，并且对虚拟样机仿真环境施加ρ＝9806.65mm/sec2的重力场作用，最后设置adams求解器的仿真时间为80s，迭代步数为800步，最大步长为0.0001，求解器最大误差为0.1，最大迭代次数为50次，进行迭代求解计算。

[0028] 步骤c，根据模拟堆链的几何形态可知：起初锚链平铺在锚链舱底板上，随着锚链个数的增加，锚链堆积高度会不断上升，堆积好的锚链会由中间最高处下降向四周滑落，形成“圆锥形”形状的堆积形态，并以“圆锥形”的几何形态构建锚链舱堆链的数学模型对数据进行量化回归分析；

[0029] 步骤d，在量化回归分析中采用分段标注技术，取每段锚链数T＝10将1500节锚链分为15份，实时测量第0T,1T,2T...节锚链堆积时的铺开直径D和堆积高度h值，并根据“圆锥形”数学模型求出近似堆积体积V＝1/12πD2h，所得数据见表1：

[0030] 表1锚链堆积几何形态动态追踪结果表

[0031] (单位：mm)

[0032]

[0033]

[0034] 得出如图8所示堆积高度随着锚链个数的变化趋势，对表1中数据进行回归分析，分别得出h与i的关系为h＝101.98×i0.38，如图3所示，令k11＝101.98，则h＝k11×i0.38，V与i关系为V＝100.73×i4.75，如图4所示，令k12＝100.73，则V＝k12×i4.75，D与i关系为D＝100.372·i1.77，如图5所示，令k2＝100.372，则D＝k2·i0.372，V与i和D的关系为V＝100.04·i1.38·D1.9，如图6所示，令k3＝100.04，则V＝k3·i1.38·D1.9，V与i和h的关系为V＝1016.3·i7.24·h-7.88，如图7所示，令k4＝1016.3，则V＝k4·i7.24·h-7.88；

[0035] 步骤e：量化分析得到hmax＝1537.85mm，将其均分为5等份，分别量取0mm、300mm、600mm、900mm、1200mm、1500mm高度时的锚链舱实际容积，具体数值见表2：

[0036] 表2锚链舱高度与实际体积表

[0037] (单位：mm)

[0038]

[0039] 将理论体积 与锚链舱实际体积 比较，得出体积余度，根据余度分析得出，原先锚链舱体积设计参数偏大，锚链数i达到1500时，有近45.34％的体积余度，因此可以减小锚链舱上口圆的直径来减小锚链舱的容积，实现堆链的几何形态追踪预测和锚链舱余度分析，从而提高总体布置空间利用率，设计出合理的锚链舱尺寸结构。