基于CATIA的锚泊设计优化和仿真

摘 要：传统的锚泊布置设计步骤繁杂，且重复工作量大，通过引入参数化建模设计思路和知识工程理念并结合CATIA软件对锚泊布置设计进行流程优化和知识工程积累，以达到快速建模和参数化维护目的，从而在提高设计质量的同时缩短整个锚泊设计周期，降低设计、修改和维护成本。

关键词：锚泊布置设计；CATIA；参数化；知识工程

中图分类号：U664.4 文献标识码：A

1 引言

锚泊是船舶和海洋平台的一种停泊方式，也被称为抛锚系留。锚泊设备由以下主要部分组成：锚、锚链、锚链筒、掣锚器、掣链器、导链滚轮、导链器、锚机、锚链管、锚链舱和弃链器。按照作业工况和要求，锚泊设备主要有三种分类：临时锚泊设备、定位锚泊设备和深海系留锚泊设备。各个锚泊设备的组合与协作构成了锚泊系统，而锚泊系统的功能和特性则由锚泊布置设计决定，因此锚泊布置设计的优劣直接影响了锚泊系统的功效和船舶的安全。

2 锚泊布置设计现状

锚泊布置设计一直是船舶设计工作中的重点之一，其主要内容包括锚泊设备的布置、锚的数量和重量、锚链的直径和长度、锚机的种类和工作方式、锚链筒和锚穴的结构型式等，以上内容涉及到结构强度校核、舾装布置优化和交叉专业协调等工作，需综合考虑多方面因素确定最终方案。然而现阶段的锚泊布置设计效率很低，因为其设计工作很大程度上依赖于设计人员实际经验的积累，其步骤一般是设计人员参考《舾装设计手册》及相关规范文件进行初步设计，然后再根据具体船型和船东要求逐步修改调整，最终形成相对完善的锚泊布置图。这样的设计方式已不能满足先进船舶设计的发展趋势和要求，因此寻找一种合理可行且方便快捷的新设计方式已迫在眉睫。

3 CATIA概况及应用

CATIA V5是Dassault System和IBM共同开发和推出的CAD/CAE/CAM 一体化软件，应用范围包括概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态仿真模拟和加工制造领域，在航空，汽车和机械加工行业有着广泛的应用。而CATIA在船舶行业的应用虽不及其在航空、汽车和机械加工行业普及，但其软件功能上一直有着丰富的适合于船舶设计的模块，如SPL-船舶结构初步布局设计模块、SDD-船舶结构详细设计模块、SFD船舶结构功能设计模块、HVA-HVAC设计模块、DMU-电子样机系列模块、KA/KE知识工程模块等。所以，在理论上CATIA为锚泊布置智能化设计提供了软件基础，通过逐步整理和优化可实现锚泊布置智能化设计工作。

4 基于CATIA参数化设计的锚泊设计

结合CATIA具体的功能模块，船舶锚泊布置设计首要任务是进行参数化建模。所谓参数化建模是指当设计对象形状样式比较定型，可用一组参数约束该设计对象的结构尺寸和特征，参数约束与设计对象的结构尺寸和特征有显式对应关系，当参数被赋予新值之后，可以驱动原设计对象更新到与新值相对应的结构尺寸和特征，此理念即参数化建模的基础。具体到锚泊布置设计工作，首先确定设计所需的参数，此参数根据其级次（父级和子级）可划分为主参数和从参数，主参数是最基本的原始参数，由用户结合实际情况进行赋值；而从参数则是由主参数通过规范公式、经验公式或自定义的设计表推导得出。在锚泊布置设计中，可将以下数值作为原始的主参数：舾装数N、锚机链轮中心距离L、锚链筒轴线的空间角度（锚链筒轴线与中纵面的角度α，锚链筒轴线与水平面的角度β）、锚机链轮与导链滚轮间的锚链与水平面的角度γ。而锚数量、锚重量、锚链直径、锚链长度、甲板上锚链孔中心距中纵面距离、与锚泊布置相关数值则可由主参数推导得出，即可作为从参数。

5 基于CATIA数字样机的锚泊运动仿真和设计优化

在锚泊布置设计的前期工作中，主要是参考船级社规范和经验公式进行初步设计，而后期工作则需验证其设计的合理性和生产的可行性。其中，较为常见的方式就是生产阶段进行的样锚拉锚试验，即使用木质材料制作和实体锚等大的样锚，通过对样锚的收放来模拟锚泊布置设计是否发生结构干涉。虽然样锚拉锚试验可以大致的模拟实锚的运动过程，但其检验的范围相对局限，如不能完全模拟整个拉锚收锚过程中锚的随机运动，不能校核锚泊布置设计中的结构强度等。而且在实际操作中，此过程需消耗较多的人力和物力资源，因此，有必要寻找一种更便捷准确的模拟方式。分析整个锚泊系统的运动过程可知，整个拉锚过程可以分为三个阶段：首先是锚被拉起为第一阶段初态，至旋转卸扣到达下锚唇位置为第一阶段末态；其次是旋转卸扣到达下锚唇位置为第二阶段初态，至锚杆开始进入锚链筒时为第二阶段末态；最后是锚杆开始进入锚链筒时为第三阶段初态，至锚和下锚唇完全贴合时为第三阶段末态。分析整个运动过程，其运动的难点在于锚杆进出锚穴阶段和锚对锚唇的贴合程度等。结合CATIA软件中的DMU（Digital Mock-Up）数字样机模块集功能，以上运动过程可实现仿真模拟。

具体而言，在此前参数化建模所获取的信息的基础上，通过CATIA DMU模块集对拉锚过程进行运动仿真和分析。为了较好的实现以上操作，需对模型进行进一步简化处理以避免数据量过于繁杂。现以78m PSV船舶数据作为实例进行操作：通过CATIA 多模块参数化操作分别建立上艏楼甲板平面（含上锚唇）Upper Forecastle Deck Structure .CATPart ，锚链筒Hawse Pipe .CATPart，锚穴（含下锚唇）Anchor Pocket .CATPart，锚链 Chain Cable .CATPart，AC-14大抓力锚AC-14 Anchor .CATPart，旋转卸扣 Swivel Shackle .CATPart模型。各个模型之间存在的关系必须完全符合参数化建模的思路及所得的数据信息，通过DMU模块中定位工具将上艏楼甲板、锚链筒和锚穴三个模型进行固定操作（定义为刚性固定，并选取上艏楼甲板面作为基准面）；将旋转卸扣和AC-14锚进行连接操作（定义为面-面滑动连接）；锚链链扣与链扣之间设置为内侧面-内侧面滑动接触，而整个锚链与锚链筒内侧为滑动接触。完成对运动副的定义后，将整个拉锚过程按照之前的思路划分为三个阶段，对每个阶段进行单独的设置以便于分析。 进入CATIA DMU模块集中的KS（Kinematics Simulator）运动机构模拟模块，可以对锚泊系统的拉锚运动的三个阶段进行仿真，仿真视图可以在任意状态暂停和查看。只有整个锚泊系统运动件之间的运动关系处于合理设置情况下，才可完成仿真模拟。仿真模拟成功运行后，可通过CATIA DMU模块集中的Optimizer运动机构优化模块进行优化处理，以达到锚泊系统运动构件的协调状态。

6 结束语

锚泊布置设计工作量大，对设计人员的经验积累要求较高，且在设计期间改动次数较多，因此，传统设计方式无法满足先进船舶设计的发展趋势和要求，而传统设计方式的重点和难点问题均可在具有先进设计理念的CAD/CAE/CAM软件中得以解决，如本文所提及的CATIA软件。通过在CATIA软件环境下对锚泊布置设计工作进行智能化和参数化处理，验证了锚泊布置设计的发展方向和趋势，同时也展示了CATIA软件自身所具备的强大的工程设计、工程辅组和工程分析功能。但在实际应用过程中，也出现了较多的不足。如CATIA的通用性太过宽泛以至于设计思维需从船舶设计中脱离出来；CATIA模块的具体功能划分偏于细化，参数化设计表的编制和维护操作不够人性化，需专门针对具体的设计内容进行二次开发，从而对设计人员的素质提出了更高的要求。总体说来，CATIA软件为锚泊布置设计提供了的一种新思路，即参数化设计。此设计方式可较为明显的提高整体设计效率，且在后续工作中可形成设计智能积累和参数化维护，为同类型的设计工作提供指导和参考，对推进船舶设计智能化有一定积极意义。